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Vorrichtung zur Kompensation des Öffnungsfehlers einer rotationssymmetrischen, raumladungsfreien elektronenoptischen
Linse
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Bei vielen mit einem Ladungsträgerstrahl arbeitenden Geräten, wie z. B. Oszillographen, Bildauf- nahmeröhren, Bildverstärker oder zum Bohren, Fräsen, Wärmebehandeln, Schweissen, Löten, Oberflä- chenbehandeln oder Härten dienenden technischen Ladungsträgerstrahlgeräten besteht die Aufgabe, den
Ladungsträgerstrahl in einen möglichst kleinen und intensitätsreichen Fleck zu konzentrieren. Dabei wird zur Strahlfokussierung im allgemeinen eine rotationssymmetrische, raumladungsfreie elektronenoptische
Linse verwendet. Durch deren Linsenfehler, vorzugsweise durch den Öffnungsfehler dritter und fünfter Ord- nung, wird jedoch eine ideale Fokussierung verhindert.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung dient dazu, den Öffnungsfehler dieser Linse zu kompensieren und somit die Fokussierung des Ladungsträgerstrahles ganz wesentlich zu verbessern.
Der Öffnungsfehler einer elektronenoptischen Linse kommt bekanntlich dadurch zustande, dass die äusseren Linsenzonen eine grössere Brechkraft aufweisen als der Mittelbereich der Linse. Es ist nun be- kannt, den Öffnungsfehler einer elektrostatischen Linse dadurch zu kompensieren, dass hinter dieser Linse elektrostatische Korrekturelemente angeordnet werden, welche die Rotationssymmetrie der Linse aufhe- ben. Da ein solches Korrekturelement den Öffnungsfehler der Linse lediglich in einer Schnittebene korrigiert, sind in der Regel mehrere Korrekturelemente erforderlich. Solche Elemente müssen sehr genau auf- gebaut und justiert sein. so dass die bekannte Vorrichtung zur Kompensation des Öffnungsfehlers sehr auf- wendig ht.
Sie hat darüber hinaus den Nachteil, dass die Korrektur eines Ladungsträgerstrahles von grösserem Ducch1nesser nur sehr schwer möglich ist.
Weiterhin ist es bekannt, zur Korrektur des Öffnungsfehlers einer rotationssymmetrischen, raumladungsfreien elektronenoptischen Linse einen in der Linsenachse angeordneten elektrischen Leiter zu verwenden, der von einer Ringelektrode umgeben ist. Die Eigenschaft dieser Korrekturlinse kann durch
Wahl der Potentialdifferenz zwischen Ringelektrode und Leiter verändert werden.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass sie lediglich die Korrektur des Öffnungsfehlers in einem kleinen Winkelbereich der in die elektronenoptische Linse eintretenden Strahlen erlaubt.
Bekannt ist es auch, zur Kompensation des Öffnungsfehlers einer rotationssymmetrischen, raumladungsfreien elektronenoptischen Linse eine Netzlinse vorzusehen, welche aus drei Elektroden besteht, deren erste und letzte ein über ihren Öffnungen ausgespanntes Netz tragen. Diese Vorrichtung hat den Nachteildass die Linsenwirkung der einzelnen Netzmaschen sehr störend zur Wirkung kommt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Kompensation des Öffnungsfehlers einer rotationssymmetrischeq raumladungsfreien elektronenoptischen Linse verwendet ebenso eine in oder in der Nähe dieser Linse angeordnete Netzlinse. Diese besteht gemäss der Erfindung aus einem, zwischen in der Strahlrichtung aufeinanderfolgenden und senkrecht zu dieser angeordneten Ringelektroden ausgespannten und gegen diese isolierten Netz, wobei die Abmessungen der Ringelektroden sowie die an diese gelegten Spannungen so gewählt sind, dass die von ihnen auf dem vom Strahl durchsetzten Teil des Netzes influenzierte Gesamtladung so gering ist, dass eine störende Linsenwirkung der einzelnen Netzmaschen vermieden wird.
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Die Netzlinse hat eine rotationssymmetrische Korrektionswirkung, d. h. also die Kompensation des Öffnungsfehlers der elektronenoptischen Linse kann in einer Stufe erfolgen. Ein weiterer Vorteil der Netzlinse besteht darin, dass es ohne weiteres möglich ist, auch einen Ladungsträgerstrahl grösseren Durchmessers zu korrigieren.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Netzlinse wird die störende Linsenwirkung der einzelnen Netzmaschen auf ein nicht mehr störendes Mass herabgedrückt. Damit gelingt es also, eine Kompensation des Öffnungsfehlers zu erreichen, ohne dass neue, störende Fehler eingeführt werden.
Um die Ausbildung der durch die Netzlinse hervorgerufenen korrigierenden Raumladung besser steuerbar zu gestalten, ist es zweckmässig. auf einer oder auf jeder Seite des Netzes zwei gegeneinander isolierte und auf verschiedenem Potential liegende Ringelektroden anzuordnen.
So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, in Strahlrichtung gesehen, vor dem Netz zwei Ringelektroden anzuordnen, deren erste relativ zum Netz auf einem, dem absoluten Betrag nach höheren negativen Potential liegt als die zweite, relativ zum Netz auf positivem Potential liegende Elektrode, und hinter dem Netz eine weitere, auf Netzpotential liegende Ringelektrode anzuordnen. Durch diese Bauart der Netzlinse wird die auf dem Netz influenzierte Ladung und damit die Linsenwirkung der einzelnen Netzmaschen gering gehalten, da sich die Feldstärken auf beiden Seiten des Netzes in Grösse und Richtung nur wenig unterscheiden.
Bei einer andern vorteilhaften Ausführungsform der neuen Vorrichtung ist zu beiden Seiten des Netzes jeweils nur eine Ringelektrode vorgesehen. Durch entsprechende Abmessungen der Ringelektroden und durch Wahl der an diese gelegten Spannungen ist hier dafür gesorgt, dass die von den Ringelektroden auf dem vom Strahl durchsetzten Teil des Netzes influenzierte Gesamtladung gering ist.
Dabei liegt die in Strahlrichtung gesehen obere Ringelektrode relativ zum Netz auf negativem Potential und weist eine kleinere zum Strahldurchtritt dienende Oifnung auf als die untere relativ zum Netz auf positivem Potential liegende Ringelektrode, und der Abstand des Netzes von der oberen Ringelektrode ist grösser als sein Abstand von der unteren Ringelektrode.
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Mitte des Netzes eine schwach positive, inseinen Aussenzonen eine schwache negative Ladung influenziert.
Dazwischen liegt ein praktisch ladungsfreies Gebiet. Damit wird die Korrektur erreicht, ohne dass die influenzierten Ladungen eine merkliche Feldstörung in der Nähe der Netzdrähte und damit eine störend grosse Linsenwirkung der einzelnen Netzmaschen hervorrufen.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Netzlinse mit nur zwei Ringelektroden. Bei dieser Netzlinse ist durch entsprechende Abmessungen der Ringelektroden und durch Wahl der an diese gelegten Spannungen dafür gesorgt, dass die von den Ringelektroden, auf dem vom Strahl durchsetzten Teil des Netzes influenzierte Gesamtladung gering ist. Das Netz selbst ist mit 15 bezeichnet, während die obere Ringelektrode die Bezeichnung 16, und die untere Ringelektrode die Bezeichnung 17 trägt. Die Elektrode 16 liegt auf negativem Potential und weist eine kleinere zum Strahldurchtritt dienende Öffnung auf als die untere, auf positivem Potential liegende Elektrode 17. Das Netz 15 ist so angeordnet, dass sein Abstand von der Ringelektrode 16 grösser ist als sein Abstand von der Ringelektrode 17.
In der Mitte des Netzes 15 überwiegt die von der oberen Ringelektrode 16 influenzierte positive Ladungs- dichte, während in den äusseren Teilen des Netzes die von der unteren Elektrode 17 influenzierte negative Ladung überwiegt. Dementsprechend bewirkt das Netz in der Mitte eine positive Brechkraft, die nach aussen hin abnimmt und weiter aussen sogar negativ wird. In dem ringförmigen Gebiet, in dem die von
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einander entgegengesetzt gleich sind,Wirkung der cmzelnen Netzmaschen auf.
Bei den in den Fig. l und 2 dargestellten Netzlinsen kann an Stelle des Netzes eine Folie mit Löchern vorgesehen sein. Eine solche Netzlinse ist in Fig. 3 dargestellt. Mit 18 ist hier die Folie bezeichnet, welche Löcher 19 definierter Abmessung enthält. Die Linse selbst ist beispielsweise ebenso aufgebaut wie die in Fig. 2 dargestellte Netzlinse.
Fig. 4 zeigt eine weitere Netzlinse, welche ebenso aufgebaut ist wie die in Fig. 2 dargestellte Netzlinse, bei welcher jedoch an Stelle des Netzes eine Folie 20 vorgesehen ist, welche an verschiedenen Stellen verschieden dick ist.
In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, an Stelle einer Netzlinse mit gestrafftem Netz eine mit gewölbtem Netz vorzusehen. Eine solche Linse ist in Fig. 5 dargestellt, welche die Wölbung des Netzes 21 erkennen lässt. Selbstverständlich kann an Stelle des Netzes 21 auch eine gewölbte Folie mit Löchern definierter Abmessung vorgesehen sein.
Mittels der dargestellten und beschriebenen Vorrichtung gelingt es, einen kleinen intensitätsreichen Ladungsträgerstrahlfleckzu erzeugen. Damit ist es möglich, eine hohe Flächenintensität bei kleinen Ab- solutaurchmessem des Strahles zu erzielen. Die Intensität über den Strahlquerschnitt ist dabei so verteilt, dass sie an den Rändern steil abfällt. Eine solche Intensitätsverteilung ist insbesondere bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen sehr wichtig, da es hier darauf ankommt, möglichst alle Energie innerhalb der Grenzen der Bearbeitungsstelle zu vereinigen.