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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung zum
Steuern einer Elektronenemissionsvorrichtung. Insbesondere bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf eine Steuerschaltung, die zum
Steuern von sogenannten Carbon Nano Tubes, die in einem Array angeordnet
sind, geeignet ist.
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Mit
der Entwicklung der IC-Technologie (IC = Integrated Circuit) wächst zunehmend
die Bedeutung der Erzeugung von immer kleineren Strukturgrößen auf
einem Substrat. Eine der Basistechnologien zur Herstellung von ICs
ist die Lithographie, bei der ein ganzflächig auf einen Wafer aufgebrachter
Lack mit Hilfe einer Maske, die an bestimmten Stellen entweder undurchsichtig
oder durchsichtig ist, belichtet wird. Hierbei wird ein Lichtstrahl
einer vorbestimmten Wellenlänge
erzeugt, mit Hilfe von optischen Linsen unter Ausnutzung des Phänomens der
Lichtbrechung mit einer besonderen Anordnung fokussiert und dann
auf den Wafer gerichtet, um den dort aufgebrachten Lack zu belichten.
Die mit Hilfe dieser Technologie erreichbare Auflösung hängt von
der Lichtwellenlänge
ab. Je kleiner die Lichtwellenlänge
ist, desto kleinere Strukturgrößen können erzielt
werden. Die Lichtwellenlänge
kann wegen optischer Übertragungseigenschaften
der zur Lichtfokussierung verwendeten Linsen jedoch nicht beliebig
mitverkleinert werden. Um trotz dieser physikalischen Grenze noch kleinere
Strukturen zu erzeugen, ist man auf Technologien angewiesen, bei
denen beispielsweise Elektronen statt Licht zur Bestrahlung des
Lacks verwendet werden.
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Dabei
werden die Elektronen von einer geeigneten Elektronenemissionsvorrichtung
emittiert, geeignet fokussiert und auf den Wafer gerichtet. Da auf
der Basis von nur einer Elektronenemissionsvorrichtung nur punktuell
ein sehr kleiner Lackbereich (Pixel) bestrahlt werden kann, ist
es von Vorteil, mehrere Elektronenemissionsvorrichtungen zu einem
Array zusammenzufassen, um auch größere Lackbereiche gleichzeitig
und gezielt bestrahlen zu können, damit
die gewünschten
kleinen Strukturen schneller als bei der Verwendung von nur einer
Elektronenemissionsvorrichtung erzeugt werden können. Würde man beispielsweise eine
Braunsche Röhre
zur Elektronenemission heranziehen, so ist es für einen Fachmann naheliegend,
daß bereits
aufgrund der notwendigerweise großen physikalischen Abmessung
eines derartigen Arrays nur sehr grobe Strukturen erzeugt werden
könnten.
Aus diesem Grund ist man auf Elektronenemissionsvorrichtungen angewiesen,
die geringe Abmessungen aufweisen, wie beispielsweise die eingangs
erwähnten
Carbon Nano Tubes.
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Bei
den Carbon Nano Tubes (CNT) handelt es sich im wesentlichen um mehrere
zumeist zylindrische Kohlenstoffgebilde mit einem Durchmesser von
einigen Nanometern, die auf einem Substrat angeordnet sind und eine
Steuerelektrode aufweisen. Wird nun an diese Steuerelektrode eine
elektrische Steuerspannung von beispielsweise einigen 10 V angelegt,
so nehmen die CNT einen Erregungsstrom auf. Das an der Spitze dieser
Kohlenfasergebilde entstandene Feld verursacht eine Feldemission
der Elektronen.
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Aufgrund
der geringen Abmessungen sind die CNT vorteilhaft, weil nun ein
Array von Elektronenstrahlen erzeugt werden kann, mit dem die gewünschten
kleinen Strukturen im Vergleich zu einem einzelnen Elektronenstrahl
schneller erzeugt werden, da ein CNT-Array zu einem Zeitpunkt mehrere
Pixel auf dem Wafer bestrahlen kann.
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Voraussetzung
zur Erzielung der gewünschten
Strukturen mit Hilfe eines CNT-Arrays ist jedoch, daß jeder
Pixel mit einer genauen Strahlendosis bestrahlt wird, die weder über noch
unterschritten werden darf. Ist die Dosis zu groß, so wird ein zu großer Strukturpunkt
erzeugt. Ist hingegen die Dosis zu klein, so wird die notwendige
Energiedosis zur Belichtung des Lacks nicht erreicht, der Lack an
der Stelle also nicht belichtet und es entsteht kein Strukturpunkt
oder ein zu kleiner Strukturpunkt.
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Aufgrund
der mit einer Erzeugung von Nanostrukturen verbundenen Herstellungsproblematik hat
ein CNT-Array jedoch große
Abweichungen bezüglich
der emittierten Elektronendosis im Array. Dies hat zur Folge, daß ein CNT-Array neben funktionsfähigen CNT
auch einige CNT aufweist, die eine zu geringe Elektronendosis emittieren.
Darüber
hinaus ist es denkbar, daß einige
in dem Array angeordneten CNT defekt sind und gar keine Elektronen
emittieren. Wenn nun ein CNT-Array zur Bestrahlung eines Wafers
herangezogen wird, so werden neben den Punkten der gewünschten
Größe auch
gar keine oder zu kleine oder zu große Punkte erzeugt. Aufgrund
dieser Herstellungsproblematik und der damit verbundenen erreichbaren
geringen Auflösung
ist eine Verwendung von CNT-Arrays – obgleich wie oben ausgeführt wünschenswert – für Bestrahlungszwecke,
die eine hohe Auflösung
erfordern, bisher nicht möglich.
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US 6,204,834 B1 offenbart
ein System und ein Verfahren zum Erzielen einer gleichmäßigen Bildschirmhelligkeit
innerhalb einer Matrixanzeige. Dabei wird eine Energie eines jeden
Pixels hinsichtlich einer Energie eines Referenzpixels innerhalb
der Anzeige entzerrt. Eine Ladung eines Referenzpulses, der von einer
Steuerschaltung geliefert wird, wird mit einem Integral über einen
durch jeden Pixel fließenden Strom
verglichen. Da das Integral über
den Strom die durch den Strom transportierte Ladungsmenge ergibt,
werden daher Ladungsmengen verglichen. Sind die Ladungsmengen gleich,
so wird eine Pixelansteuerspannung, die konstant ist, abgeschaltet.
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US 5,656,892 A offenbart
eine Feldemissionsanzeige mit einer Emitteransteuerschaltung. Die Emitteransteuerschaltung
umfasst einen Stromspiegel um den momentanen Strom, der einem jeden
Pixel in dem Array zugeführt
wird, zu übe
wachen. Der Strom wird dann mit einem Referenzstrom berglichen,
der aus einem Bildsignal auf einer Basis eines erwarteten Stroms
ermittelt wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Die Fehlersignale
werden zu einem Eingang der Emitteransteuerschaltung zurückgekoppelt,
woraufhin die Emitteransteuerschaltung einen korrigierten Emitterstrom
erzeugt.
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Die
JP 59169044 A offenbart
ein Elektronenstrahlgerät
vom Feldemissionstyp, das als Elektronenkanone ausgebildet ist,
die eine Kathode hat, welche mit einer Leistungsquelle verbunden
ist. Wenn eine Spannung zwischen die Anode und die Kathode angelegt
wird, wird ein Feldemissions-Elektronenstrahl
erzeugt, der dann durch eine Drosselplatte, die unter der Anode
angebracht ist, gedrosselt wird. Elektronen, die gegen die Drosselplatte
stoßen,
erzeugen Sekundärelektronen,
die mit einem Photomultiplizierer-Röhrendetektor
erfasst werden, um ein Monitorausgangssignal zu erhalten. Das Monitorausgangssignal
wird einem Hochpassfilter, einer Erfassungsschaltung und einer Ausgabeschaltung
zugeführt.
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Das
Ausgangssignal wird mit einem Einstellungswert verglichen, und wenn
das Ausgangssignal größer als
der Einstellungswert wird, werden die Leistungsquelle und eine Beschleunigungsspannungsquelle
abgeschaltet, um eine Feldemission zu unterbinden.
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Die
US-Patentveröffentlichung
US 2002/0027198 A1 offenbart
ein Konzept, bei dem eine Mehrzahl von Schaltungsstrukturen durch
eine kleine Anzahl von Strahlen mit geladenen Partikeln geschrieben
werden, wobei eine hohe Dimensionseinstellbarkeit ohne Verwendung
einer Maske erreicht wird. Um eine gewünschte Ladungsmenge auf einen
Punkt eines Musters zu bringen, wird eine Bestrahlung vorgenommen,
bei der mehrere Elektronenstrahlen auf den selben Punkt zeigen.
Zusätzlich werden
Strahlen mit geladenen Partikeln verwendet, bei denen die Strommengen
einer Mehrzahl von geladenen Partikelstrahlen so eingestellt sind,
dass sie eine gewichtete Graduierung haben.
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Das
US Patent US 4,090,106 offenbart
eine Feldemissions-Elektronenkanone
mit einer gesteuerten Leistungsversorgung. Es wird eine Spannung
gesteuert, die an die Kathode angelegt wird, um einen Emissionsstrom
konstant zu machen, während
die Charakteristik der Emissionselektronen von der Kathode in dem
anfänglichen
instabilen Bereich liegt. Ferner wird dann, wenn man im stabilen
Bereich ist, die an die Kathode angelegte Spannung konstant gehalten.
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Die
DE 199 63 308 A1 offenbart
eine Erzeugungsvorrichtung für
geladene Teilchen mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode,
einer Stromquelle, die einen Strom zu der ersten Elektrode liefert,
um diese zu erwärmen,
und einer Spannungsquelle zum Erzeugen einer Spannung zur Ausbildung eines
elektrischen Feldes zwischen der ersten Elektrode und der zweiten
Elektrode. Eine Heizstrom-Messeinheit zum Messen des Stroms für die Erwärmung der
ersten Elektrode ist vorgesehen. Ferner ist eine Elektrodenstrom-Messeinheit zum Messen
des durch die zweite Elektrode flie ßenden Elektrodenstroms entsprechend
der Anzahl der von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode
emittierten geladenen Teilchen vorgesehen. Ferner ist eine Leistungszuführungs-Abschaltungsschaltung
zur Abschaltung der Leistungszuführung
zumindest zu der Stromquelle oder der Spannungsquelle vorhanden, um
die Zuführung
des Stroms zum Erwärmen
der ersten Elektrode und die Erzeugung der Anziehungsspannung auf
der Grundlage des von der Heizstrom-Messeinheit gemessenen Stroms
bzw. des von der Elektrodenstrom-Messeinheit
gemessenen Elektrodenstroms zu beenden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steuerschaltung
und ein Verfahren zum Steuern einer Elektronenemissionsvorrichtung sowie
ferner ein Array zum Steuern einer Multielektronenemissionsvorrichtung
zu schaffen, die eine Bestrahlung mit hoher Auflösung ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Steuerschaltung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren
zum Steuern einer Elektronenemissionsvorrichtung gemäß Anspruch
15 oder ein Array zum Steuern einer Multielektronenemissionsvorrichtung
gemäß Anspruch
16 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine hohe
Auflösung
mit einem beispielsweise aus CNT beste henden Array dadurch erreichbar
ist, daß die
CNT einzeln oder auch in kleineren Gruppen, die einige CNT umfassen,
mit einer Steuerschaltung versehen werden, wobei die Steuerschaltung
eindeutig die emittierte Elektronendosis anhand eines Erregungsstroms,
der von den CNT aufgenommen wird, erfaßt, um bei Erreichen einer gewünschten
Dosis die entsprechenden CNT abzuschalten. Zusätzlich wird erfindungsgemäß der Betrag
des Erregungsstroms erfaßt,
um festzustellen, ob die entsprechenden CNT überhaupt in der Lage sind,
innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer eine ausreichende Dosis
zu liefern. Ist der Betrag des Erregungsstroms zu klein, so wird
die erfindungsgemäße Steuerschaltung
die entsprechenden CNT deaktivieren, damit keinen unfertigen Punkte
etc. auf dem Wafer generiert werden.
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Die
von den CNT emittierte Ladungsmenge hängt von dem Betrag eines Erregungsstroms
ab, der von diesen CNT aufgenommen wird. Zur Bestimmung der von
den CNT emittierten Ladungsmenge kann daher dieser Erregungsstrom
herangezogen werden. Hierbei wird ausgenutzt, daß die von einem Strom transportierte
Ladung innerhalb eines Zeitintervalls aus einem Integral über den
Stromverlauf innerhalb dieses Zeitintervalls bestimmt werden kann. Um
festzustellen, ob eine bestimmte Ladungsmenge von den CNT emittiert
worden ist, reicht es jedoch aus, zu überwachen, ob diese Ladungsmenge
einen vorbestimmten Ladungsschwellwert erreicht hat. Ist dieser
Ladungsschwellwert erreicht, so können die CNT abgeschaltet werden,
indem der Erregungsstrom abgeschaltet wird. Eine ordnungsgemäße Funktion
der CNT wird ebenfalls auf der Basis des Erregungsstroms festgestellt,
indem überwacht
wird, ob der Betrag des Erregungsstroms einen vorgegebenen Stromschwellwert
erreicht. Wird dieser Stromschwellwert nicht erreicht, so ist es
gleichbedeutend damit, daß eine
zur Lackbestrahlung notwendige Ladungsmenge innerhalb eines vorbestimmten
Zeitintervalls von den CNT nicht emittiert werden kann. Die CNT
können
in diesem Fall deaktiviert werden, indem der Erregungsstrom abgeschaltet
wird.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Steuerschaltung
zum Steuern der CNT auf der Basis von zwei meßbaren Größen ausgeführt ist, nämlich des Betrags des Erregungsstroms
und der von dem Erregungsstrom transportierten Ladungsmenge. Gemäß eines
Ausführungsbeispiels
werden jeweils Komparatoren eingesetzt, um zu überwachen, ob der Betrag des
Erregungsstroms einen vorbestimmten Stromschwellwert erreicht sowie
ob die von dem Erregungsstrom transportierte Ladungsmenge einen
vorbestimmten Ladungsschwellwert erreicht. Da es sich bei den Komparatoren
um Standard-Bauelemente handelt, kann die erfindungsgemäße Steuerschaltung
daher kostengünstig
realisiert werden.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sowohl
der Betrag des Erregungsstroms als auch die von dem Erregungsstrom transportierte
Ladungsmenge besonders genau überwacht
werden können,
da hierzu nicht notwendigerweise der Erregungsstrom selbst herangezogen werden
muß. Gemäß eines
Ausführungsbeispiels (werden
mit Hilfe eines Stromspiegels mehrere Hilfsströme erzeugt, die in einem vorbestimmten
Zusammenhang zu dem Erregungsstrom sind. Auf der Basis dieser Hilfsströme werden
ohne eine Beeinflussung des Erregungsstroms sowohl der Betrag des
Erregungsstroms als auch die Ladungsmenge überwacht.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Steuerschaltung
zum Steuern einer Elektronenemissionsvorrichtung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Steuerschaltung;
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Steuerschaltung;
und
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4a bis 4c eine
Skizze der Spannungs- bzw. Potentialsituation zwischen Steuerschaltung,
Carbon Nano Tube und zu belichtendem Substrat.
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1 zeigt
eine Anordnung bestehend aus einer Elektronenemissionsvorrichtung 1,
die von einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung 3 gesteuert werden
soll. Letztere umfaßt
eine Einrichtung 5, die überwacht, ob der Betrag des
von der Elektronenemissionsvorrichtung 1 aufgenommenen
Erregungsstroms 4 einen vorgegebenen Stromschwellwert überschreitet.
Die Steuerschaltung 3 beinhaltet ferner eine Einrichtung 7,
die überwacht,
ob die von der Elektronenemissionsvorrichtung emittierte Ladungsmenge
einen vorgegebenen Ladungsschwellwert überschreitet. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung
zum Steuern einer Elektronenemissionsvorrichtung beinhaltet ferner
eine Einrichtung 9 zum Abschalten des Erregungsstroms,
mit deren Hilfe die Elektronenemissionsvorrichtung 1 durch
das Abschalten des Erregungsstroms 4 im Falle des Überschreitens
des Ladungsschwellwerts oder des Unterschreitens des Stromschwellwerts
abgeschaltet wird. Die Einrichtung 9 zum Abschalten des
Erregungsstroms kann mit Hilfe einer in 1 nicht
eingezeichneten weiteren Funktionalität für z.B. einen nachfolgenden
Bestrahlungsvorgang wieder eingeschaltet werden, so daß die Elektronenemissionsvorrichtung 1 erneut
einen Erregungsstrom aufnehmen und Ladung emittieren kann. 2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei die Einrichtung 9, die Einrichtung 5 sowie
die Einrichtung 7 zum Feststellen des Ladungsschwellwerts
gestrichelt markiert sind.
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Die
Einrichtung 9 zum Abschalten des Erregungsstroms besteht
im wesentlichen aus einem Transistor 91, der als Hochvolttransistor
ausgeführt werden
kann, mit einem Steuereingang 93, einem Eingang 95 sowie
einem Ausgang 97. Der Eingang 95 des Transistors 91 ist
mit einer in 2 nicht eingezeichneten Steuerelektrode
einer Elektronenemissions vorrichtung verbunden, und zwar derart,
daß der
Erregungsstrom bezüglich
seiner technischen Stromrichtung in diesen Eingang hineinfließen kann – die Elektronenemissionsvorrichtung
nimmt diesen Erregungsstrom bezüglich
seiner physikalischen Stromrichtung auf.
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4a zeigt
eine schematische Darstellung des Transistors 91 mit einer
CNT 40, die in der Nähe eines
zu belichtenden Substrats 42 angeordnet ist. Der „Rest" der Steuerschaltung
ist in der 4a nicht detailliert dargestellt.
Lediglich beispielhaft wird nachfolgend davon ausgegangen, daß der Transistor 91 ein
selbstsperrender N-MOSFET ist.
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Das
zu belichtende Substrat wird auf ein Potential bezüglich Masse
von z. B. einigen 10 V bis +50 V gebracht, was einer typischen Betriebsspannung für CNTs entspricht.
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4b zeigt
die Situation, bei der am Steuereingang 93 des Transistors
eine Spannung gegen Masse von +5 V angelegt ist und das Substrat 42 auf +50
V gegen Masse liegt. Aufgrund der positiven Steuerspannung leitet
der Transistor 91, so daß die Spannung von +50 V zwischen
dem Substrat 42 und der Spitze der CNT abfällt, was
dazu führt,
daß durch den
Transistor ein Strom fließt
und Elektronen von der CNT auf das Substrat fliegen, wodurch eine
Lackbelichtung erreichbar ist.
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4c zeigt
dagegen die Situation, bei der der Steuereingang 93 des
Transistors 91 auf Masse (0 V) liegt, der Transistor also
sperrt. In diesem Fall fällt
zwischen dem Substrat 42 und der CNT keine Spannung ab,
weshalb keine Elektronen von der CNT emittiert werden. Die Spannung
von +50 V fällt dagegen
zwischen dem Knoten 95 und dem Knoten 97 ab, wobei
der Knoten 97 auf einem Bezugspotential, wie z. B. Masse,
liegt.
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Die
Spannung an dem Substrat 42 hat einen Betrag von typischerweise
einigen 10 Volt bis 50 V, der ausreichend ist, um aufgrund der Feldemission die
Elektronen aus der Spitze einer Quelle, die die Elektronenemissionsvorrichtung
beinhaltet, austreten zu lassen. Bei den CNT 40 besteht
diese Quelle aus einigen meist zylindrischen Kohlenstoffgebilden mit
einem Durchmesser von einigen Nanometern, die sich auf einem Substrat
befinden.
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An
den Steuereingang 93 ist, wie es in den 4b und 4c gezeigt
ist, eine Spannung zum Steuern der Leitfähigkeit des Transistors 91 anlegbar.
Wird diese Spannung angelegt so wird der z.B. selbstsperrende Transistor 91 „eingeschaltet", und der in den
Eingang 95 hineinfließende
Erregungsstrom an den Ausgang 97 weitergeleitet. Ist der
Transistor 91 selbstleitend, so wird er durch die angelegte Spannung „ausgeschaltet", wodurch der Erregungsstrom
nicht mehr fließt
Wird der Steuereingang 93 mit einer Masse M verbunden,
so geht der Transistor 91 in einen Sperrzustand über und
schaltet so den Erregungsstrom ab. Lediglich optional befindet sich
zwischen dem Steuereingang 93 und der Masse M eine Kapazität C1, die
zum „Speichern" der Spannung an dem
Knoten 93 des Transistors 91 dient.
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Die
Einrichtung 9 zum Abschalten des Erregungsstroms beinhaltet
ferner einen optionalen Schalter 99, der zwischen dem Steuereingang 93 und
der Masse M geschaltet ist, und der ferner einen Steuereingang 9901 umfaßt. In Abhängigkeit
von einem an diesem Steuereingang anliegenden Signal wird der Schalter
geschlossen oder geöffnet.
Dadurch kann der Steuereingang 93 unabhängig von der auf dem Kondensator
C1 gespeicherten Ladung mit der Masse M verbunden werden, so daß der beispielsweise
selbstsperrende Transistor 91 schnell ausgeschaltet und
der Kondensator C1 schnell entladen werden, was für die Erreichung
der hohen Auflösung
notwendig ist.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt ferner
eine Einrichtung 11 zum Erzeugen von mindestens einem Hilfsstrom.
Die Einrichtung 11 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn
der Erregungsstrom möglichst
genau gemessen und daher nicht verfälscht werden soll. Besteht
zwischen dem Hilfsstrom und dem Erregungsstrom ein vorbestimmter
Zusammenhang, so kann sowohl der Stromschwellwert als auch der Ladungsschwellwert auf
der Basis dieses Hilfsstroms bestimmt werden.
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Die
Einrichtung 11 zum Erzeugen mindestens eines Hilfsstroms
kann beispielsweise einen Stromspiegel 1101 umfassen mit
einem ersten Eingang 1103, einem zweiten Eingang 1105 sowie
einem dritten Eingang 1107 und einem Ausgang 1109, der
mit der Masse M verbunden ist. Der erste Eingang 1103 des
Stromspiegels 1101 ist mit dem Ausgang 97 des
Transistors 91 verbunden, so daß in diesen ersten Eingang
der Erregungsstrom hineinfließen
und zwei Hilfsströme
erzeugen kann, die jeweils in den zweiten Eingang 1105 und
in den dritten Eingang 1107 hineinfließen.
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Der
in den zweiten Eingang 1105 des Stromspiegels 1101 hineinfließende Hilfsstrom
wird in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
von der Einrichtung 7 zum Feststellen des Ladungsschwellwerts
verwendet. Die Einrichtung 7 umfaßt ferner einen ersten Komparator 71 mit
einem ersten Eingang 7101, einem zweiten Eingang 7103 und
einen Ausgang 7105. An den Eingang 7101 kann eine
vorbestimmte Referenzspannung angelegt werden, die zur Bestimmung
des Ladungsschwellwerts herangezogen werden kann. Der zweite Eingang 7103 des Komparators 71 ist über eine
Kapazität 73 mit
einer Versorgungsspannungsquelle verbunden, die eine Versorgungsspannung
VDD liefert. Die Kapazität 73 dient dazu, den
in den zweiten Eingang 1105 des Stromspiegels 1101 hineinfließenden Hilfsstrom,
der einen vorbestimmten Zusammenhang zu dem Erregungsstrom aufweist,
aufzuintegrieren, so daß aufgrund
der bekannten Beziehungen (Ladung = Integral I dt und Spannung =
1/C Integral I dt, wobei C den Wert der Kapazität 73 beschreibt) an
dem zweiten Eingang 7103 eine Spannung anliegt, die proportional
zu der von dem Hilfsstrom transportierten Ladung ist.
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Der
Komparator 71 vergleicht nun die beiden an den Eingängen 7101 und 7103 anliegenden
Spannungen und liefert an seinem Ausgang 7105 ein Ergebnis
dieses Vergleichs. Ist die am zweiten Eingang 7103 anliegende
Spannung größer als
diejenige, die an dem ersten Eingang 7101 anliegt, so bedeutet dies,
daß die
Kapazität
bereits eine bestimmte Ladungsmenge aufgenommen hat, die einen Ladungsschwellwert überschritten
hat.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die angeführte Kapazität 73 durch
eine beliebige Funktionalität
ersetzt werden kann, die ein integrales Verhalten aufweist, wie
beispielsweise ein geeignet verschalteter Operationsverstarker.
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Parallel
zur Kapazität 73 kann
ferner ein Schalter 75 mit einem Steuereingang 7501 geschaltet
sein, der dazu dient, die Kapazität 73 vor einem neuen
Emissionsvorgang der Elektronenemissionsvorrichtung durch Überbrücken zu
entladen.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel beinhaltet ferner
einen zweiten Komparator 51 mit einem ersten Eingang 5101,
einem zweiten Eingang 5103 sowie einem Ausgang 5105.
An den Eingang 5101 ist eine Referenzspannung anlegbar,
die zur Bestimmung des Stromschwellwerts herangezogen werden kann.
Der zweite Eingang des Komparators ist in diesem Ausführungsbeispiel
mit dem dritten Eingang 1107 des Stromspiegels 1101 verbunden,
in den ein weiterer Hilfsstrom hineinfließt, der einen vorbestimmten
Zusammenhang mit dem Erregungsstrom aufweist. Der zweite Eingang 5103 des
Komparators 51 ist ferner über einen Widerstand mit der Spannungsquelle
verbunden, die die Spannung VDD liefert.
Der durch diesen Widerstand fließende Hilfsstrom verursacht eine
Spannung, die an dem zweiten Eingang 5103 anliegt, und
die mit der Referenzspannung, die am ersten Eingang 5101 anliegt,
verglichen wird. Ist diese Spannung kleiner als die am ersten Eingang 5101 anliegende
Referenzspannung, so bedeutet dies, daß der Betrag des Hilfsstroms
einen durch die am Widerstand 53 abfallende Spannung repräsentierten
Stromschwellwert unterschritten hat. In diesem Fall liegt am Ausgang 5105 des
Komparators 51 ein Ausgangssignal vor, das das Unterschreiten des
Stromschwellwerts anzeigt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß der Widerstand 53 durch
eine beliebige Funktionalität ersetzt
werden kann, die einen Strom in eine Spannung umwandeln kann, wie
beispielsweise eine stromgesteuerte Spannungsquelle.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge der
Komparatoren 71 und 51 mit den Eingängen 1301 und 1303 einer
Logik 13 verbunden, die ferner einen ersten Ausgang 1305 und
einen zweiten Ausgang 1307 umfaßt, verbunden. Die Logik 13 ist
derart ausgeführt,
daß die
an ihren Eingängen
anliegenden Signale mit Hilfe einer geeigneten Verknüpfung, z.B.
einer ODER-Verknüpfung,
kombiniert bzw. ausgewertet werden und das Ergebnis dieser Operation
am ersten Ausgang 1305 anliegt, der weiter mit dem Steuereingang 9901 des Schalters 99 verbunden
ist. Wird der Stromschwellwert unterschritten oder wird der Ladungsschwellwert überschritten,
so wird der Schalter 99 aufgrund des nun am ersten Ausgang 1305 der
Logik 13 anliegenden Signals geschlossen, so daß der Transistor 91 in
den Sperrzustand übergeht
und den Erregungsstrom ausschaltet. Die beiden Ausgangsignale der Komparatoren 71 und 51 werden
in der Logik 13 ferner so miteinander verknüpft, daß der (Hochvolt-)Transistor 91 dann
geöffnet
wird, wenn die Dosis, d.h. die emittierte Ladungsmenge, den korrekten Wert
hat oder der Betrag des Stroms den Stromschwellwert nicht überschritten
hat.
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Das
am zweiten Ausgang 1307 der Logik 13 anliegende
Signal ist optional und kann beispielsweise einer weiteren übergeordneten Überwachungseinrichtung
zugeführt
werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mehrere Elektronenemissionsvorrichtungen 1 in
einem Array angeordnet sind, wobei jede Elektronenemissionsvorrichtung
eine erfindungsgemäße Steuerschaltung
aufweisen kann. Das an dem zweiten Ausgang 1307 der Logik 13 anliegende
Signal liefert das Identifikationsmerkmal, das einer jeden Steuerschaltung
zugeordnet ist, das die Elektronenemissionsvorrichtung in dem Array, das
eine Multielektronenemissionsvorrichtung bildet, eindeutig identifiziert.
Mit Hilfe dieses Identifikationsmerkmals kann die übergeordnete Überwachungseinrichtung
nun eine Mehrzahl von Steuerschaltungen überwachen, um beispielsweise
beim Unterschreiten des Stromschwellwerts die betreffende Steuerschaltung
zu deaktivieren.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Steuerschaltung zum Steuern einer Elektronenemissionsvorrichtung.
Da dieses Ausführungsbeispiel eine
Reihe von Funktionalitäten
aufweist, die bereits in dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel enthalten
sind, werden im folgenden die Funktionalitäten mit gleichen Bezugszeichen
nicht noch einmal beschrieben.
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Im
Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
beinhaltet die in 3 dargestellte Einrichtung 9 zum
Abschalten des Erregungsstroms zusätzlich eine Strombeaufschlagungsvorrichtung 15,
die dazu dient, dem sogenannten Taktdurchgriffseffekt entgegenzuwirken.
Dieser Effekt ist auf eine sehr schnelle, steile Änderung
eines Potentials eines Knotens zurückzuführen, wobei diese Änderung
auch bei den Nachbarknoten zu Potentialschwankungen während und
kurz nach dem Umschalten führt,
was auf parasitäre
Koppelelemente, wie z. B. Koppelkapazität der Knoten, zurückzuführen ist.
Dabei wird die Höhe
und auch die Dauer der Potentialschwankung durch den durch einen
Nachbarknoten fließenden
Strom mitbestimmt. Insbesondere bedeutet dies, daß bei stromlosen
Knoten, die mit einem Strom beaufschlagt werden, es zu einem besonders
starken Taktdurchgriff kommt. Darüber hinaus entstehen dabei
Erregungsstromverluste, da beispielsweise die parasitären Kapazitäten von
dem Erregungsstrom umgeladen werden. Um diesen Effekt weitestgehend
zu vermeiden, wird in alle Zweige ein identischer Biasstrom so geleitet,
daß sowohl
die Messung des eingeschalteten Stroms über einen Potentialabfall,
als auch die Aufintegration des Stromes zur Messung der Ladung nicht
verfälscht
wird. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird daher ein konstanter (Bias-)Strom permanent in die Schaltung
in den Knoten „unterhalb" des Transistors 91 geleitet.
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Die
Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel
eine Stromquelle 1501, an deren Eingang eine Spannung,
z.B. die Spannung VDD anlegbar ist, die
parallel zu dem Transistor 91 derart geschaltet ist, daß ein von
dieser Stromquelle abgegebener Umladestrom dem Erregungsstrom, der
durch den Transistor 91 fließt, überlagert ist. Dieser von der
Stromquelle 1501 gelieferte Umladestrom wird nun zu einer
Umladung der bereits erwähnten
parasitären
Koppelkapazitäten
herangezogen, so daß hierfür nicht
ein Teil des Erregungsstroms verlustig wird. Dies ist insbesondere
während des
Einschaltens der Einrichtung zum Abschalten des Erregungsstroms 9 von
Bedeutung, weil dabei der Schalter 99 geöffnet und
an den Steuereingang 93 eine vorbestimmte Spannung angelegt
wird, so daß der
Transistor 91 nun eingeschaltet und somit leitend wird.
Würde man
nun auf die Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 verzichten,
die einen vorbestimmbaren Umladestrom in den Knoten 97 einspeist,
so müßte ein
Teil des Erregungsstroms zum Umladen der parasitären Kapazitäten aufgebracht werden, so
daß die
Einrichtung 9 erst nach einer gewissen Zeit in ihren stationären Zustand übergehen würde. Ohne
eine derartige Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 wäre während dieser
Umschaltzeit ein Teil des Stroms nicht meßbar, so daß weder der Stromschwellwert
noch der Ladungsschwellwert genügend
genau bestimmt werden könnten,
was jedoch notwendig ist, damit beispielsweise die von der Elektronenemissionsvorrichtung
emittierte Ladungsmenge gezielt dosiert werden kann, wodurch eine hohe
Auflösung
erreicht wird.
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Der
durch die Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 in den Knoten 97 eingespeiste
Strom dient also dazu, die erwähnten
parasitären
Kapazitäten umzuladen,
so daß beim
Einschalten der Einrichtung 9 deren stationärer Zustand
sich nun schneller einstellt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Realisierung der Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 durch
die Stromquelle 1501 lediglich eines der möglichen
Ausführungsbeispiele
darstellt. Im allgemeinen kann der Umladestrom mit Hilfe einer beliebigen
Funktionalität
erzeugt werden, die einen Umladestrom liefern kann, wie beispielsweise
ein geeignet beschalteter Stromspiegel oder auch eine spannungsgesteuerte
Stromquelle.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel beinhaltet ferner
eine weitere Strombeaufschlagungsvorrichtung 17, die der
Einrichtung 7 zum Feststellen des Ladungsschwellwerts einen
weiteren Strom liefert, der von dem von der Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 gelieferten
Umladestrom abhängig
ist. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Strombeaufschlagungsvorrichtung 17 eine Stromquelle 1701,
deren Ausgang mit dem Knoten 7103 verbunden ist und die
parallel zur Kapazität 73 geschaltet
ist.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die in diesem Ausführungsbeispiel
zur Realisierung der Strombeaufschlagungsvorrichtung 17 herangezogene
Stromquelle 1701 nur eine mögliche Realisierungsform einer
Strombeaufschlagungsvorrichtung 17 darstellt. Prinzipiell
kann die Strombeaufschlagungsvorrichtung 17 mit Hilfe einer
beliebigen Funktionalität
realisiert werden, die einen von dem von der Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 gelieferten
Umladestrom abhängigen
Strom liefert.
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Des
weiteren beinhaltet das in 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
eine weitere Strombeaufschlagungsvorrichtung 19, um der
Einrichtung zum Feststellen des Stromschwellwerts 5 einen
weiteren Strom zuzuführen,
der von dem von der Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 aufgeprägten Umladestrom
abhängig
ist. In diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Strombeaufschlagungsvorrichtung 19 eine
Stromquelle 1901, deren Ausgang mit dem Knoten 1503 verbunden
ist und an deren Eingang eine Spannung anlegbar ist, beispielsweise
die Spannung VDD.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Strombeaufschlagungsvorrichtung 19 auf
viele verschiedene Weisen realisiert werden kann, wie es bereits
für die
Strombeaufschlagungsvorrichtung 17 diskutiert wurde.
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Die
von der Strombeaufschlagungsvorrichtung 17 und von der
Strombeaufschlagungsvorrichtung 19 gelieferten Ströme dienen
dazu, den im eingeschalteten Zustand der Abschaltvorrichtung 9 dem Erregungsstrom überlagerten
Umladestrom, der von der Strombeaufschlagungsvorrichtung 15 aufgeprägt wird,
derart zu berücksichtigen,
daß sowohl
der Betrag des Erregungsstroms als auch die emittierte Ladungsmenge
unverfälscht
und somit genügend
genau ermittelt werden können.
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Gemäß den in 2 und
in 3 dargestellten Ausführungsbeispielen liegt die
gesamte Elektronik elektrisch gesehen auf Masse und arbeitet mit
der für
IC-Technologien üblichen
Spannung VDD bis 5 V. Der Transistor 91 kann
dabei als Hochvolttransistor ausgeführt sein, dessen Drain an einer
deutlich höheren
Spannung als die positive Versorgungsspannung liegt.
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Die
in 2 und in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele
können
ferner eine Regelschaltung aufweisen, die derart ausgebildet ist,
daß die
an den Steuereingang 93 des Transistors 91 anlegbare Spannung,
die als ein Eingangssig nal interpretiert werden kann, die Logik 13 zurücksetzt.
Die Ladung des Kondensators wird dabei über ein an den Steuereingang 7501 des
Schalters 75 anlegbares Reset-Signal zu Null gesetzt, der
Transistor 91 geschlossen und der Komparator 51 über eine
zuvor definierte Verzögerung
eingeschaltet. Der Komparator 51 wird erst nach einer Verzögerung eingeschaltet,
damit der stationäre
Erregungsstrom überwacht
wird. Der Komparator 51 prüft zunächst nach der definierten Verzögerung,
ob ein Mindesterregungsstrom fließt. Der Komparator 71 überwacht
dabei die Spannungsdifferenz über
der Kapazität 73 auf
der Basis des gespiegelten und aufintegrierten Erregungsstrom. Die beiden
Ausgangssignale der Komparatoren 51 und 71 werden
in der Logik 13 geeignet ausgewertet und es wird ein entsprechendes
Ausgangssignal (Out) zur Verarbeitung abgeleitet, das am Ausgang 1307 anliegt.
Der Schalter 99 wird dann geöffnet, so daß kein weiterer
Erregungsstrom durch den Transistor 91 und damit durch
eine Elektronenquelle fließt.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Array zum
Steuern einer Multielektronenemissionsvorrichtung. Die letztere
umfaßt
eine Mehrzahl von Elektronenemissionsvorrichtungen, die in einem
Array angeordnet sind und entweder einzeln oder, wenn sie zu kleinen
Gruppen zusammengefaßt sind,
gruppenweise von der erfindungsgemäßen Steuerschaltung gesteuert
werden. Umfaßt
die Multielektronenemissionsvorrichtung beispielsweise die CNT,
so ist es wichtig für
eine hohe Auflösung
sowie für
eine rasche Strukturerzeugung, daß die von den CNT oder von
den CNT-Gruppen
emittierte Ladungsmenge genügend
genau dosiert werden kann. Sind die CNT defekt, d.h. werden entweder
keine Elektronen emittiert oder kann die notwendige Ladungsmenge
innerhalb eines Zeitintervalls nicht erreicht werden, so müssen die
CNT abgeschaltet werden, damit keine unfertigen Strukturpunkte entstehen,
was durch eine Deaktivierung der Steuerschaltung und somit Abschaltung
des Erregungsstroms erreicht werden kann.
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Aufgrund
der oben beschriebenen Problematik weist jede in der Multielektronenemissionsvorrichtung
enthaltene Elektronenemissionsvorrichtung erfindungsgemäß ein Identifikationsmerkmal,
das sie eindeutig identifiziert, wie beispielsweise eine auf der Basis
der Array-Koordinaten ausgebildete Adresse. Darüber hinaus ist es notwendig,
daß jede
Elektronenemissionsvorrichtung eine übergeordnete Überwachungseinrichtung über ihren
momentanen Betriebszustand, beispielsweise ob der Betrag des Erregungsstroms
einen vorbestimmten Stromschwellwert erreicht, informieren kann.
Die in 2 und in 3 gezeigten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele
umfassen die Logik 13, an deren zweiten Ausgang 1307 diese
Information der übergeordneten Überwachungseinrichtung
zur Verfügung
gestellt wird. Erreicht beispielsweise der Betrag des Erregungsstroms
den vorgegebenen Stromschwellwert nicht, so liefert der erfindungsgemäße Komparator 51 ein
entsprechendes Ausgangssignal, so daß nach einer geeigneten Auswertung
der beiden Ausgangssignale der Komparatoren 51 und 71 durch
die Logik 13 ein entsprechendes Signal an dem Ausgang 1307 anliegt,
das der übergeordneten Überwachungseinrichtung
anzeigt, daß der
Betrag des Stroms den Stromschwellwert unterschreitet, so daß die Steuerschaltung
der entsprechenden Elektronenemissionseinrichtung deaktiviert wird.