Brevet FR2795861A1 — publié le 20010105

La présente invention concerne une cathode émettrice de Schottky possédant un réservoir de ZrO2 stabilisé. La présente invention concerne plus particulièrement une cathode émettrice de Schottky possédant un réservoir de ZrO2 et un composé ou élément stabilisateur de phase tel que CaO, Y203 ou MgO. Les sources d'électrons sont utilisées dans des appareils à faisceaux d'électrons comme un microscope électronique et un système d'électrolithographie, et de telles sources d'électrons nécessitent une cathode ayant comme caractéristiques une grande brillance, une longue durée de vie, une grande stabilité et un coût de production raisonnable. Comme décrit dans le brevet USP 5 838 096, auquel l'homme de l'art pourra avantageusement se référer, ces dernières années, une source d'électrons appelée cathode de Schottky a été utilisée, dont la brillance est supérieure à celle de la source d'électrons thermiques antérieure utilisant LaB6, l'utilisation est plus facile que l'émetteur de champ W utilisé antérieurement, et dont l'émission d'électrons est stable. Dans une cathode de Schottky classique, un réservoir contenant un métal tel que le zirconium ou le titane, de l'oxygène et analogues est prévu sur la cathode elle-même, afin d'apporter des atomes d'un métal, de l'oxygène et analogues sur la face W d'une pointe d'aiguille en tungstène monocristallin, par diffusion thermique et formation d'une couche adsorbée, réduisant alors le travail en fonctionnement de la pointe du monocristal. Ceci permet une émission d'électrons stable et une grande brillance. Dans le cas de l'utilisation d'une telle cathode de Schottky, un champ électrique est appliqué sur la face W de la pointe monocristalline chauffée à une température allant de 1000 à 2000 K pour émettre des électrons excités thermiquement. Dans une cathode de Schottky, la fabrication d'un réservoir pour apporter des atomes d'un métal devant être adsorbés à la surface de la pointe d'une aiguille monocristalline pour l'émission d'électrons nécessite le revêtement du réservoir par une poudre et le frittage de celle-ci par chauffage sous vide à haute température. Une méthode pour former un réservoir pour fournir des atomes d'un métal devant être adsorbé à la surface d'une pointe monocristalline est décrite dans le brevet USP 3 814 975, auquel l'homme de l'art pourra avantageusement se référer, et dans lequel une boue d'une poudre d'un composé contenant de l'hydrogène et d'acétate d'amyle est apliquée puis frittée par chauffage à haute température dans une atmosphère contenant de l'oxygène. L'application d'un réservoir de ZrO2 sur un fil de tungstène comme moyen pour diminuer le travail en fonctionnement du tungstène a été utilisée pour la fabrication de cathodes émettrices de Schottky. L. W. Swanson et N. A. Martin, dans Field Electron Cathode Stability Studies : Zirconium/Tungsten Thermal - Field Cathode , Journal of Applied Physics, 46, Mai 1975,2029-2050, discutent de l'utilisation de la cathode à champ d'électrons (FE) comme source d'électrons pour des instruments d'application commerciale, comme par exemple un microscope à balayage électronique, et décrivent en particulier une cathode de tungstène enduite de zirconium (Zr/W) utilisée comme cathode à champ thermique (TF) en ce qui concerne sa capacité de fonctionner comme une cathode à champ d'électrons (FE) pour des applications dans des instruments à focalisation fine. Dans l'article de L. R. Danielson et L. W. Swanson, High Température Coadsorption Study of Zirconium and Oxygen on the W Crystal Face , Surface Science, 88, (1979), 14-30, il était conclu que le système Zr-O-W constitue un exemple rare de système travaillant à basse énergie (2.6 eV). Comme décrit par H S. Kim, E. Kratschmer, M. L. Yu, M. G. R. Thomson et T. H. P. Chang, Evaluation of Zr/O/W Schottky Emitters for Microcolumn Applications , (1994), 3413-3417, il a été démontré que les pointes émettrices de Schottky délivrent un faisceau d'électrons d'une grande brillance avec une bonne stabilité d'émission pour une utilisation en microscopie électronique conventionelle et en lithographie à faisceau d'électrons. Kim et al. ont proposé l'utilisation d'un émetteur de Schottky Zr/O/W comme alternative à une source d'émission à champ froid (300 K) (monocristal de tungstène) pour les microscopes à balayage à effet tunnel (STM) à microcolonnes à champ d'émission aligné (SAFE). La cathode à pointe Zr/O/W est également présentée dans le Handbook of Charqed Particle Optics, CRC Press, (1997), pp. 77-81. Les propriétés d'émission d'électrons d'une source d'électrons à champ thermique (TFE) contenant un émetteur de tungstène orienté selon le plan et présentant une couche de zirconium ont été rapportées par L. W. Swanson et D. Tuggle, Récent Progress in Thermal Field Electron Source Performance , Applications of Surface Science, 8., (1981), 185-196. Le système CaO-ZrO2 est discuté par Craig R. Barrett et al. The principles of Engineering Materials, (1973), pp. 140-141, et par W. E. Kingery et al. Introduction to Ceramics, 2ème Edition, (1976), p. 292. Zr02 stabilisé par Y203 par voie Sol-Gel est discuté par Gianni Antonioli, Pier Paolo Lottici, Irano Manzini, Guglielmina Gnappi, Angelo Montenero, Fabio Paloschi et Philippe Parent, dans An EXAFS Study of the Local Structure Around Zr Atoms in Y203 Stabilized ZrO2 by SolGel Method , Journal of Non-Crystal Solids, 177,179-186 (1994) . Comme discuté ci-dessus, les cathodes émettrices de Schottky typiques utilisent un réservoir d'oxyde de zirconium pur (Zr02) comme source de ZrO sur la pointe de l'émetteur (John Orloff, Charqed Particle Optics, pp. 78- 81 (1997)). Les émetteurs de Schottky sont habituellement utilisés à des températures allant jusqu'à ou au-dessus de 1800 Kelvin. L'introduction de ZrO à la pointe de tungstène a pour effet de diminuer le travail en fonctionnement de la surface. Le faible travail en fonctionnement permet à l'émetteur de Schottky de produire un nombre suffisant d'électrons avec un gradient de champ plus faible qu'un émetteur à champ froid. Le problème qui survient avec les émetteurs de Schottky existants est que le Zr02 pur présente une transition de phase entre les phases monoclinique et tétragonale quand le matériau est chauffé ou refroidi au delà de la température limite d'équilibre de phase. Le changement de phase est associé avec un changement de volume significatif qui provoque des contraintes sur le réservoir de ZrO2. Ces contraintes peuvent générer des fractures dans le ZrO2 qui provoquent sa séparation du fil de tungstène. La perte de ZrO2 sur le réservoir conduit à une chute nette en électrons produits par l'émetteur. Additionellement, les particules de ZrO2 qui se sont détachées du fil de tungstène peuvent provoquer la contamination du canon à électrons. Un objet de la présente invention est d'éviter les fractures dans le réservoir de ZrO2 de cathodes émettrices de Schottky. Un autre objet de la présente invention est d'éviter la séparation du ZrO2 du fil, à titre d'exemple, du fil de tungstène, sur des cathodes de Schottky. Un autre objet de l'invention est d'éviter la contamination par des particules de ZrO2 d'un canon à électrons associé avec une cathode émettrice de Schottky. Un autre objet de l'invention est encore de stabiliser le réservoir de ZrO2 d'une cathode émettrice de Schottky. Les objets précédents, aussi bien que les autres objets, buts et avantages sont satisfaits dans la présente invention. La présente invention concerne une cathode émettrice de Schottky comprenant un filament fait dans un premier métal réfractaire, une aiguille monocristalline possédant une facette et constituée d'un métal réfractaire secondaire jointe au filament et un réservoir disposé sur au moins l'un de l'aiguille monocristalline, le filament et une jonction entre l'aiguille monocristalline et le filament, où le réservoir contient ZrO2 et un élément stabilisateur de phase ou composé qui stabilise une phase de ZrO2 sur une plage de température allant de 293 à 1800 K. L'élément ou composé stabilisateur de phase a les propriétés suivantes : (i) il ne contamine pas l'aiguille monocristalline et (ii) il n'augmente de façon importante le travail en fonctionnement d'aucune autre facette de cristal de l'aiguille monocristalline. La présente invention concerne également un procédé pour stabiliser un réservoir de ZrO2 d'une cathode émettrice de Schottky ayant un filament, une aiguille monocristalline ayant une facette et jointe au filament. La présente invention permet d'éviter la séparation de ZrO2 du réservoir en raison de la fracturation du réservoir et la contamination subséquente par de grandes particules de Zr02 qui étaient attachées au filament à proximité de la pointe de l'aiguille monocristalline ou sur l'aiguille monocristalline (cependant, de petites particules de ZrO2 diffusant à travers la surface de diffusion du réservoir le long de l'aiguille sont nécessaires). Le procédé inclut l'introduction d'un élément ou composé stabilisateur de phase dans le réservoir de ZrO2. L'élément ou composé stabilisateur de phase stabilise une phase de ZrO2 dans un domaine de température allant de 293 à 1800 Kelvin. L'élément ou composé stabilisateur de phase (i) n'est pas un contaminant de l'aiguille monocristalline et (ii) n'augmente de façon importante le travail en fonctionnement d'aucune autre facette de cristal de l'aiguille monocristalline. Aux fins d'illustration de l'invention, des dessins préférés sont présentés. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : La Figure 1 est une vue en élévation d'une cathode émettrice de Schottky selon la présente invention. La Figure 2 est une vue en élévation d'une partie d'un canon à électrons qui inclut une cathode émettrice de Schottky selon la présente invention. La Figure 3 est une vue en élévation détaillée de la pointe ou aiguille d'une cathode émettrice de Schottky conventionelle. La structure d'une cathode émettrice de Schottky de la présente invention est décrite selon les modes de réalisation non limitatifs suivants : Dans un premier mode de réalisation de l'invention, comme représenté à la Figure 1, un fil polycristallin de tungstène ayant un diamètre approximatif de 0,15 mm est mis en forme en un filament 2 ayant un profil ressemblant à une épingle à cheveux. Une aiguille monocristalline en tungstène 1 ayant une orientation cristalline est jointe au sommet de la partie centrale du filament 2 puis est soumise à un décapage électrochimique dans une solution de NaOH sur une partie terminale de façon à former une pointe sur l'aiguille monocristalline 1. Un réservoir 3 contenant du zirconium et un élément ou composé stabilisateur de phase est disposé sur le filament 2. Le réservoir 3 est préparé par addition d'une poudre d'oxyde de zirconium et d'un élément ou composé stabilisateur de phase dans un solvant pour former une boue. La boue est appliquée sur une portion du sommet du filament 2, sur une portion intermédiaire de l'aiguille monocristalline 1 ou sur la portion de base de l'aiguille monocristalline 1, pour former le réservoir 3. Le chiffre de référence 4 désigne une borne qui est faite de préférence avec un acier inoxydable à laquelle le filament 2 est soudé par point ; et le chiffre de référence 5 désigne une céramique isolante. Selon un autre mode de réalisation comme présenté sur la Figure 2, l'aiguille monocristalline 10 fait saillie à travers un suppresseur 11. Typiquement, le suppresseur 11 est maintenu à une tension de 500 à 1200 volts par rapport à l'aiguille monocristalline 10. Un réservoir 13 de zirconium et un élément ou composé stabilisateur de phase sont positionnés sur un filament 12 sur l'une des deux positions indiquées sur la Figure 2. Le chiffre de référence 14 désigne un filament chauffant. La Figure 3 montre en détail la partie d'une cathode émettrice de Schottky conventionnelle au voisinage de l'aiguille monocristalline 20. Des particules de ZrO2 qui peuvent se détacher du réservoir (non représentées sur la Fig. 3) peuvent se déposer sur le suppresseur 21 à proximité de l'ouverture 22 au travers de laquelle l'aiguille 20 dépasse. De telles particules de ZrO2 peuvent former des blocs qui peuvent modifier et distordre le champ électrique à proximité de l'aiguille monocristalline 20 et provoquer un court-circuit ou une abbréviation du profil du faisceau d'électrons. Le filament selon la présente invention est de préférence fabriqué en un matériau sélectionné dans le groupe constitué par W, Mo et Re. L'aiguille monocristalline est de préférence fabriquée en un matériau sélectionné dans le groupe constitué de W, Mo et Re. D'une manière plus préférentielle, le filament selon la présente invention est fabriqué en tungstène et l'aiguille monocristalline est fabriquée en tungstène ayant une orientation de son réseau cristallin de suivant l'axe de l'aiguille, l'extrêmité de la pointe étant une facette . La présente invention qui concerne une cathode émettrice de Schottky utilisant un réservoir ou revêtement d'oxyde de zirconium (Zr02) avec introduction d'un élément ou composé stabilisateur de phase inclut les avantages suivants : une réduction importante de la perte de zirconium ; et une augmentation importante de la durée de vie de la cathode quand les conditions opératoires résultent en des passages rapides entre l'arrêt et le passage du courant dans le réchauffeur de pointe ainsi qu'une réduction de la contamination du canon à électrons. La stabilisation d'une phase cristalline du zirconium en vertu de la présente invention prévient les contraintes induites sur le réservoir, en raison d'un changement de volume important qui accompagne le passage d'une phase cristalline monoclinique à une phase cristalline tétragonale, qui survient quand la cathode émettrice de Schottky est chauffée de la température ambiante à la température de service (habituellement 1800 K), ou lorsque la pointe est débranchée et laissée à refroidir à température ambiante, subissant alors une transformation inverse de la structure tétragonale vers la structure monoclinique. N'importe quel composé qui stabilise une phase de ZrO2 dans un domaine de température allant approximativement de 293 Kelvin à 1800 Kelvin, qui luimême ne pose pas le risque d'une contamination du canon à électrons ou de la pointe émettrice, et qui n'augmente pas de façon importante le travail en fonctionnement de la facette préférée du cristal de tungstène, pourra être utilisé dans la présente invention. Une aiguille en tungstène (aiguille monocristalline ou pointe) stabilisée avec ZrO2 selon la présente invention, aura un travail en fonctionnement (ou potentiel de travail) d'environ 2,6 à 2,95 eV sur la facette , alors que pour le tungstène seul (pour un appareil conventionnel), le travail en fonctionnement sera d'environ 4,7 eV sur la facette . Les composés qui stabilisent ZrO2 selon la présente invention incluent CaO, Y203 et MgO. Par exemple, il a été observé que la combinaison de Y203 à une concentration de 3 moles % à 8 moles % et de préférence de 3 à 6 mol %, avec ZrO2 stabilisait la phase tétragonale de la zircone. Exemple : Procédé pour fabriquer une cathode émettrice de Schottky ayant un réservoir contenant Zr02 et un composé stabilisateur de phase. (1) Un procédé par exemple tel que connu du brevet USP 5 838 096, mais dans lequel la poudre appliquée est de la zircone stabilisée ou partiellement stabilisée. La poudre est composée primairement d'un oxyde de zirconium avec addition d'un stabilisant tel qu'un oxyde d'yttrium, de magnésium ou de calcium. La poudre de zircone stabilisée ou partiellement stabilisée peut être appliquée par mélange avec un liant organique et un solvant, qui est ensuite appliquée sur une aiguille monocristalline de tungstène décapée, et séchée avant frittage du réservoir par chauffage sous vide commme indiqué dans le brevet USP 5 838 096. (2) Un procédé par exemple tel que connu du brevet USP 3 814 975, mais dans lequel la poudre appliquée est de la zircone stabilisée ou partiellement stabilisée. La poudre est composée primairement d'un oxyde de zirconium avec addition d'un stabilisant tel qu'un oxyde d'yttrium, de magnésium ou de calcium. La poudre de zircone stabilisée ou partiellement stabilisée peut être appliquée par mélange avec un liant organique et un solvant, qui est ensuite appliquée sur une aiguille monocristalline de tungstène décapée, et séchée avant frittage du réservoir par chauffage sous vide commme indiqué par exemple dans le brevet USP 5 838 096. (3) Un procédé dans lequel la stabilisation du réservoir de ZrO2 est atteinte par l'utilisation d'une quantité suffisante d'un composé stabilisant additionné à Zr02, de façon à ce qu'une partie de ZrO2 demeure soit sous la forme cristalline tétragonale soit sous la forme cubique à température ambiante. Revendications 1. Cathode émettrice de Schottky comprenant : un filament fait dans un premier métal réfractaire, une aiguille monocristalline (1) possédant une facette et constituée d'un métal réfractaire secondaire jointe au filament (2) et un réservoir (3) disposé sur au moins l'un de l'aiguille monocristalline, du filament et de la jonction entre l'aiguille monocristalline et le filament, caractérisée en ce que le réservoir contient ZrO2 et un élément stabilisateur de phase ou composé qui stabilise une phase de Zr02 sur une plage de température allant de 293 à 1800 K, ledit élément ou composé stabilisateur de phase : (i) n'étant pas un contaminant de l'aiguille monocristalline (1) et (ii) n'augmentant de façon importante le travail en fonctionnement d'aucune autre facette de cristal de l'aiguille monocristalline. 2.Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier métal réfractaire est du tungstène. 3. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 2, caractérisée en ce que le second métal réfractaire est du tungstène. 4. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'aiguille monocristalline (20) est du tungstène ayant une orientation selon . 5. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément ou composé stabilisateur est CaO. 6. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément ou composé stabilisateur est MgO. 7. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément ou composé stabilisateur est Y203. 8. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 7, caractérisée en ce que Y203 est présent à une concentration allant de 3 à 8 moles %. 9. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 7, caractérisée en ce que Y203 est présent à une concentration allant de 3 à 6 moles %. 10. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 7, caractérisée en ce que Y203 est présent à une concentration de 3 moles % ou de 6 moles %. 11. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément ou composé stabilisateur est CaO. 12. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément ou composé stabilisateur est MgO. 13. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément ou composé stabilisateur est Y203. 14. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 13, caractérisée en ce que Y203 est présent à une concentration allant de 3 à 8 moles %. 15. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 13, caractérisée en ce que Y203 est présent à une concentration allant de 3 à 6 moles %. 16. Cathode émettrice de Schottky selon la revendication 13, caractérisée en ce que Y203 est présent à une concentration de 3 mol % ou de 6 moles %. 17. Procédé pour stabiliser un réservoir de ZrO2 (3) d'une cathode émettrice de Schottky comprenant un filament (2), une aiguille monocristalline (1) possédant une facette et jointe au filament, de façon à éviter la séparation de ZrO2 et du réservoir et la contamination subséquente du filament (2) ou de l'aiguille monocristalline (1), caractérisé par l'introduction d'un élément ou composé stabilisateur de phase dans le réservoir de Zr02 (3), ledit élément ou composé stabilisateur de phase stabilisant une phase de ZrO2 sur une plage de température allant de 293 à 1800 K, ledit élément ou composé stabilisateur de phase (i) n'étant pas un contaminant de l'aiguille monocristalline et (ii) n'augmentant de façon importante le travail en fonctionnement d'aucune autre facette du cristal de l'aiguille monocristalline. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément ou composé stabilisateur de phase est sélectionné dans le groupe comprenant CaO, MgO et Y203. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'aiguille monocristalline (1) est du tungstène ayant une orientation selon .