DE1110330B

DE1110330B - Verfahren und Anordnung zur Impulssteuerung des Strahlstromes eines Ladungstraegerstrahlgeraetes

Info

Publication number: DE1110330B
Application number: DEZ7937A
Authority: DE
Inventors: Dr Wolfgang Opitz
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1960-04-14
Filing date: 1960-04-14
Publication date: 1961-07-06
Also published as: CH394423A; NL263539A; GB919006A; US3193722A; NL122125C

Description

EMTERNÄT.KL. HOIj

DEUTSCHES

PATENTAMT

Z7937Vmc/21g

ANMELDETAG: 14. A P R I L 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT·. 6. JULI 1961

Bei mit intermittierend gesteuertem Strahl arbeitenden Ladungsträgerstrahlgeräten ist es üblich, als Beschleunigungsspannung eine konstante Gleichspannung zu verwenden und den intermittierenden Strahl durch Auftasten einer Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems zu erzeugen. Es besteht jedoch der Wunsch, nicht mit konstanter Gleichspannung, sondern mit periodisch veränderlicher oder intermittierender Hochspannung zu arbeiten. Hierdurch läßt sich der Hochspannungserzeuger vereinfachen, und es läßt sich, bedingt durch den Wegfall der Dauerbeanspruchung die Spannungsfestigkeit der Hochspannungsisolation im Gerät erhöhen.

Dem vorliegenden Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, eine rechteckimpulsförrnige Steuerung des Strahlstromes in einem Ladungsträgerstrahlgerät zu bewirken, und dabei die Beschleunigungsspannung periodisch zu verändern.

Eine einfache Lösung dieser Aufgabe kann dadurch erreicht werden, daß der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystemes eine solche Vorspannung gegen die Kathode gegeben wird, daß erst beim Überschreiten eines gewünschten Schwellenwertes der sich periodisch ändernden Hochspannung das Strahlerzeugungssystem entsperrt und ein Ladungsträgerstrahl erzeugt wird. Mit Unterschreiten des Schwellenwertes wird das Strahlerzeugungssystem wieder gesperrt, so daß also dann kein Ladungsträgerstrahl erzeugt wird.

Bei einem Ladungsträgerstrahlgerät besteht die Forderung, daß sich während der Erzeugung eines Ladungsträgerstrahles die Beschleunigungsspannung am Strahlerzeugungssystem möglichst wenig ändert. Ändert sich nämlich diese Spannung, so wird der während der Spannungsänderung erzeugte Strahl durch die fokussierenden Elemente des Gerätes nicht richtig fokussiert. Aus diesem Grunde ist es im allgemeinen nicht möglich, in der geschilderten einfachen Weise Ladungsträgerstrahlimpulse zu erzeugen, welche allen Forderungen genügen.

Bei dem Verfahren der vorliegenden Art zur Impulssteuerung des Strahlstromes eines Ladungsträgerstrahlgerätes wird der geschilderte Nachteil vermieden, und es werden eine Reihe von wesentlichen, im folgenden näher aufgeführten Vorteilen erreicht. Erfindungsgemäß werden dem Strahlerzeugungssystem eine sich periodisch ändernde Hochspannung, und der auf Sperrspannung liegenden Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystemes eine mit der Hochspannung synchronisierte Spannung zugeführt, welche das Strahlerzeugungssystem nur während des Teilabschnittes der Hochspannungsperiode entsperrt, bei dem sich die Hochspannung nur wenig von ihrem Verfahren und Anordnung

zur Impulssteuerung des Strahlstromes

eines Ladungsträgerstrahlgerätes

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/Brenz

Dr. Wolfgang Opitz, Aalen (Württ),
ist als Erfinder genannt worden

Maximalwert unterscheidet. Die Sperrspannung des Strahlerzeugungssystems ist dabei so hoch, daß auch bei der höchsten auftretenden Betriebsspannung kein Strom fließt, sofern nicht das Strahlerzeugungssystem durch einen der Steuerelektrode zugeführten Steuerimpuls aufgetastet wird.

Die Synchronisierung zwischen der Hochspannung und der Steuerspannung wird zweckmäßig so gewählt, daß das Strahlerzeugungssystem jeweils zum günstigsten Zeitpunkt des Verlaufs der Hochspannungsperiode entsperrt wird. Dieser Zeitpunkt ist dann erreicht, wenn sich die Hochspannung über den folgenden Teilabschnitt ihres Verlaufes nur wenig von ihrem Maximalwert unterscheidet. Es wird also während der Dauer der Auftastung des Strahlerzeugungssystems ein Ladungsträgerstrahl von annähernd konstanter Beschleunigungsspannung erzeugt, der von den abbildenden Elementen gut fokussiert werden kann.

Wird die Hochspannung als sinusförmige Wechselspannung oder als Folge von Rechteckimpulsen zugeführt und wird die Synchronisierung zwischen der Hochspannung und der Steuerspannung so gewählt, daß der das Strahlerzeugungssystem auftastende Steuerimpuls jeweils zum gleichen günstigen Zeitpunkt des Verlaufs der Hochspannungsperiode einsetzt, so werden Strahlstromimpulse erzeugt, deren Dauer allein durch die Steuerimpulse bestimmt ist. Die Impulsfolgefrequenz ist dagegen durch die Periodizität der Hochspannung gegeben.

Wird die Hochspannung als eine Folge von Rechteckimpulsen erzeugt, so läßt sich eine hohe Flankensteilheit der Hochspannungsimpulse nur sehr schwer erreichen, da die große Spannungsänderung der unvermeidlichen Lastkapazität in sehr kurzer Zeit nur durch sehr hohe Schaltstromstöße zu erreichen wäre.

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Die Spannungsänderungen an der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems, welche gemäß dem dringenden Verfahren zum Ein- und Ausschalten des Strahlstromimpulses erforderlich sind, sind wesentlich kleiner. Aus diesem Grunde läßt sich eine flankensteile Impulssteuerung des Strahlstromes durch synchron zu den Hochspannungsimpulsen getastete Impulssteuerung der Steuerelektrode mit verhältnismäßig geringem Aufwand erreichen. Jeder der Steuerimpulse schneidet sozusagen aus dem entsprechenden Hochspannungsimpuls geringer Flankensteilheit einen Strahlimpuls kürzerer Dauer und größerer Flankensteilheit heraus.

Das neue Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft verwenden, wenn die Hochspannungsimpulse unter Verwendung eines Hochspannungsimpulstransformators erzeugt werden. Bei einem solchen ergibt sich nämlich die Impulsform aus einem Kompromiß zwischen den Übertragereigenschaften für hohe und tiefe Frequenzen, die die Flankensteilheit bzw. den Dach- ao abfall des Impulses bestimmen. Bei der beschränkten erzielbaren Bandbreite eines solchen Transformators läßt sich ein möglichst kleiner Dachabfall des Impulses nur durch Verschieben des Frequenzbereichs nach tieferen Frequenzen und damit auf Kosten der Steilheit der Impulsflanken erreichen. Wird nun entsprechend dem vorliegenden Verfahren die Flankensteilheit der Strahlimpulse allein durch die Flankensteilheit der Steuerimpulse bestimmt, so kann der Impulstransformator für gute Übertragung tiefer Frequenzen ausgelegt werden, da seine geringe Flankensteilheit nicht zur Geltung kommt.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung enthält zweckmäßig einen mit der Steuerelektrode verbundenen, auf dem Potential der Hochspannung liegenden fremdgesteuerten Steuerimpulsgenerator sowie ein zwischen dem Hochspannungsgenerator und dem Eingang des Steuerimpulsgenerators angeordnetes Verzögerungsglied. Zwischen die Kathode und die Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems ist dabei in bekannter Weise ein Gleichspannungserzeuger geschaltet, welcher die Vorspannung der Steuerelektrode erzeugt. Durch diese Vorspannung wird der Ladungsträgerstrahl so lange gesperrt, bis durch die vom Steuerimpulsgenerator gelieferten Steuerimpulse entgegengesetzter Polarität die Spannung zwischen Kathode und Steuerelektrode für die Impulsdauer so weit herabgesetzt wird, daß ein Strahlstrom fließt. Der Steuerimpulsgenerator wird über das Verzögerungsglied synchron mit dem periodischen Hochspannungsverlauf getastet, so daß der Steuerimpuls jeweils zu einem gewünschten Zeitpunkt des Hochspannungsverlaufs einsetzt.

Bei der geschilderten Anordnung liegen sowohl der Vorspannungserzeuger als auch der Heizstromerzeuger und der Steuerimpulsgenerator auf Hochspannung. Dies bringt isolationsmäßig einige Schwierigkeiten mit sich, welche durch die Verwendung eines Hochspannungstransformators vermieden werden können.

Es ist deshalb auch vorteilhaft, zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Art eine Anordnung zu wählen, bei welcher ein primärseitig an den Hochspannungsgenerator angeschlossener Hochspannungstransformator mit bifilar ausgeführter Sekundärwicklung sowie ein zwischen den beiden erdseitigen Enden der Sekundärwicklungen angeordneter, auf Erdpotential liegender Steuerimpulsgenerator vorgesehen ist. Die beiden hochspannungsseitigen Enden der Sekundärwicklungen stehen dabei mit der Kathode bzw. der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems in Verbindung. Durch die bifilare Ausführung der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators wird erreicht, daß sich die Induktivitäten der Sekundärwicklungen für die von Erd- auf Hochspannungspotential zu übertragenden Impulse praktisch aufheben, so daß auch sehr flankensteile Impulse ohne wesentliche Verzerrung übertragen werden können. Der Effekt der restlichen Induktivität wird vorteilhaft dadurch herabgesetzt, daß die bifilare Wicklung durch einen zwischen ihren hochspannungsseitigen Enden angeordneten geeigneten Widerstand hochfrequenzmäßig wie eine Verzögerungsleitung abgeschlossen wird.

Es ist auch bei dieser Anordnung vorteilhaft, einen fremdgesteuerten Steuerimpulsgenerator zu verwenden und zwischen den Hochspannungsgenerator und den Eingang des Steuerimpulsgenerators ein Verzögerungsglied zu schalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine gemäß der Erfindung aufgebaute Anordnung zur Impulssteuerung des Strahlstromes eines Ladungsträgerstrahlgerätes,

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 die Form des auf die Sekundärseite eines Impulstransformators übertragenen Hochspannungsimpulses,

Fig. 4 den Verlauf eines der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems zugeführten Steuerimpulses in zeitlicher Relation zu dem in Fig. 3 dargestellten Hochspannungsimpulses,

Fig. 5 die Form des bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung entstehenden Strahlimpulses.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Elektronenstrahlgerät bezeichnet, dessen Strahlerzeugungssystem aus der Kathode 2, der Steuerelektrode 3 und der geerdeten Anode 4 besteht. Mit 5 ist ein Gerät zur Erzeugung des Heizstromes bezeichnet, welches über einen primärseitig auf Erdpotential liegenden Isoliertransformator 6 gespeist wird.

Das Gerät 7 dient zur Erzeugung der Hochspannung als Folge von Rechteckimpulsen. Diese Hochspannungsimpulse werden der Kathode 2 und einem zur Erzeugung der Vorspannung der Steuerelektrode 3 dienenden Gerät 8 zugeleitet. Dieses Gerät liegt auf Hochspannungspotential und wird über einen primärseitig auf Erdpotential liegenden Isoliertransformator 9 gespeist. Mit 10 ist ein Gerät zur Erzeugung der der Steuerelektrode 3 zugeführten Steuerimpulse bezeichnet. Dieses Gerät wird über einen primärseitig auf Erdpotential liegenden Isoliertransformator 11 gespeist.

Zwischen dem Hochspannungsgenerator 7 und dem Eingang des Steuerimpulsgenerators 10 ist ein Verzögerungsglied 12 angeordnet. Die vom Hochspannungsgenerator 7 abgeleiteten Tastimpulse werden in diesem Verzögerungsglied verzögert und über einen Hochspannungskondensator 13 dem Steuerimpulsgenerator 10 zugeführt. Dieser Generator wird durch die Tastimpulse so gesteuert, daß ein Steuerimpuls erst dann einsetzt, wenn der entsprechende Hochspannungsimpuls schon einen Maximalwert erreicht hat. Der Steuerimpuls ist kürzer als der zugeordnete Hochspannungsimpuls, so daß also die hintere Flanke

des Hochspannungsimpulses die Form des entstehenden Strahlstromimpulses nicht beeinflußt.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist folgende. So lange vom Hochspannungsimpulsgenerator 7 kein Hochspannungsimpuls geliefeit wird, liegt die Kathode 2 gegenüber der Steuerelektrode 3 auf einer Spannung von beispielsweise + 120VoIt. Da somit die Steuerelektrode gegen die Kathode 2 negativ vorgespannt ist, ist das Strahlerzeugungssystem gesperrt. Wird nun ein Hochspannungsimpuls ausgelöst, so liget die Kathode auf einer Spannung von —99,88 kV, während die Steuerelektrode auf einer Spannung von —100 kV liegt. An der Sperrung des Strahlerzeugungssystems hat sich dadurch nichts geändert.

Wird nunmehr über das Verzögerungsglied 12 der Steuerimpulsgenerator 10 aufgetastet, so liefert dieser einen Steuerimpuls, welcher die Vorspannung der Steuerelektrode 3 gegenüber der Kathode 2 so weit erniedrigt, daß während der Dauer dieses Steuerimpulses das Strahlerzeugungssystems entsperrt wird. Es wird also ein Strahlstromimpuls erzeugt, dessen Flankensteilheit lediglich von der Flankensteilheit des Steuerimpulses bestimmt ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung liegen sämtliche oberhalb der gestrichelten Linie 14 angeordneten Schaltelemente auf Hochspannung.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist zur Übertragung der Hochspannungsimpulse und der Steuerimpulse auf das Strahlerzeugungssystem ein Hochspannungstransformator 15 mit bifilar ausgeführter Sekundärwicklung vorgesehen. Die Primärwicklung 16 dieses Transformators ist mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 17 verbunden. Auf diese Weise entsteht in beiden Leitern der Sekundärwicklungen 18 und 19 der gleiche Hochspannungsverlauf. Das eine Ende der Sekundärwicklung 19 ist geerdet, und zwischen das entsprechende Ende des anderen Leiters 18 und Erde ist ein Gleichspannungserzeuger 20 geschaltet. Die beiden anderen Enden der Sekundärwicklungen 18 und 19 sind mit der Kathode 2 bzw. der Steuerelektrode 3 verbunden. Zwischen diesen beiden Enden erscheint die vom Gerät 20 erzeugte Gleichspannung auf dem periodisch gegen Erde veränderlichen Potential der Hochspannung. Die vom Gerät 20 gelieferte Gleichspannung ist so gewählt, daß das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.

Zwischen dem erdseitigen Ende der Sekundärwicklung 18 und dem erdseitigen Ende der Wicklung 19 ist weiterhin ein Steuerimpulsgenerator 21 angeordnet. Die von diesem Generator erzeugten Steuerimpulse werden über die Sekundärwicklungen 18 und 19 auf das Strahlerzeugungssystem übertragen. Die Magnetfelder der beiden bifilaren Leiter 18 und 19 kompensieren sich in kleinem Abstand völlig, d, h. also, sie wirken praktisch nicht auf den Kern ein, und ihre Induktivitäten heben sich für den übertragenen Steuerimpuls praktisch auf. Dadurch wird der flankensteile Steuerimpuls nicht wesentlich verzehrt. Dieser Steuerimpuls setzt die Vorspannung der Steuerelektrode 3 gegenüber der Kathode 2 so weit herab, daß das Strahlerzeugungssystem entsperrt wird und während der Dauer jedes Steuerimpulses ein Strahlstromimpuls großer Flankensteilheit entsteht.

Zwischen dem Hochspannungsgenerator 17 und dem Steuerimpulsgenerator 21 ist ein Verzögerungsglied 22 eingeschaltet, welches ebenso wie in Fig. 1 das Verzögerungsglied 12 zur Synchronisierung des Steuerimpulsgenerators 21 mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 17 dient.

Der Effekt der restlichen Induktivität der beiden Sekundärwicklungen 18 und 19 wird durch den Widerstand 23 herabgesetzt, welcher die hochspannungsseitigen Enden der beiden Sekundärwicklungen hochfrequenzmäßig wie eine Verzögerungsleitung abschließt. Die Sekundärwicklung 18 ist durch einen Widerstand 24 bedämpft, während die Sekundärwicklung 19 durch einen Widerstand 25 bedämpft ist.

Fig. 3 zeigt (nicht maßstabsgetreu) einen vom Hochspannungsimpulsgenerator 17 erzeugten Hochspannungsimpuls 26. Dieser wird bei der Übertragung im Hochspannungstransformator 15 so verzerrt, daß sekundärseitig ein stark von der Rechteckform abweichender Hochspannungsimpuls 27 auftritt. Der Transformator 15 ist so gebaut, daß er bei weniger guter Übertragung hoher Frequenzen tiefe Frequenzen besonders gut überträgt. Infolgedessen ist der Dachabfall des Hochspannungsimpulses 27 gering, während Inpulsanstieg und Impulsabfall stark abgeflacht sind.

Fig. 4 zeigt einen vom Steuerimpulsgenerator 21 erzeugten Steuerimpuls 28. Wie aus den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, ist die Verzögerung so eingestellt, daß der Steuerimpuls 28 erst dann ausgelöst wird, wenn der Hochspannungsimpuls 27 seine volle Amplitude erreicht hat. Die Länge des Steuerimpulses 28 ist so gewählt, daß jeder Steuerimpuls vor dem zugeordneten Hochspannungsimpuls endet.

Fig. 5 zeigt die Form eines mit der Anordnung nach Fig. 2 erzeugten Strahlstromimpulses 29. Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, hat der Strahlstromimpuls 29 dieselbe Flankensteilheit wie der Steuerimpuls 28, während sein Dachabfall demjenigen des Hochspannungsimpulses 27 entspricht. Diese Verhältnisse werden durch die gestrichelt eingezeichneten Impulse 27 und 28 ohne weiteres deutlich.

Die Amplitude der Strahlstromimpulse 29 kann durch entsprechende Wahl der im Gerät 20 erzeugten Steuerelektrodenvorspannung geregelt werden.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen werden vorteilhaft für die verschiedensten Arten der Materialbearbeitung, wie z. B. Bohren, Fräsen, Löten, Schweißen oder zur Wärmebehandlung von Materialien verwendet. Sie können auch in Elektronenmikroskopen verwendet werden, wenn es sich darum handelt, die Objektbelastung herabzusetzen oder »Blitzlichtaufnahmen« herzustellen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Impulssteuerung des Strahlstromes eines Ladungsträgerstrahlgerätes, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlerzeugungssystem eine sich periodisch ändernde Hochspannung und der auf Sperrspannung liegenden Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems eine mit der Hochspannung synchronisierte Spannung zugeführt werden, welche das Strahlerzeugungssystem nur während des Teilabschnittes der Hochspannungsperiode entsperrt, bei dem sich die Hochspannung nur wenig von ihrem Maximalwert unterscheidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung als sinusförmige Spannung mit einer der gewünschten Impulsfolgefrequenz entsprechenden Frequenz erzeugt wird.

1 HO

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung als Folge von Rechteckimpulsen mit einer der gewünschten Impulsfolgefrequenz des Strahlstromes entsprechenden Folgefrequenz erzeugt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems verbundenen, auf dem Potential der Hochspannung liegenden fremdgesteuerten Steuerimpulsgenerator sowie durch ein zwischen dem Hochspannungsgenerator und dem Eingang des Steuerimpulsgenerators angeordnetes Verzögerungsglied.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein primärseitig an den Hochspannungsgenerator angeschlossener Hochspannungstransformator mit bifüar ausgeführter Sekundärwicklung sowie ein zwischen den beiden erdseitigen

Enden der Sekundärwicklung angeordneter, auf Erdpotential liegender Steuerimpulsgenerator vorgesehen sind und daß die beiden hochspannungsseitigen Enden der Sekundärwicklungen mit der Kathode bzw. der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems verbunden sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen fremdgesteuerten Steuerimpulsgenerator sowie durch ein zwischen dem Hochspannungsgenerator und dem Eingang des Steuerimpulsgenerators angeordnetes Verzögerungsglied.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Sekundärwicklungen des Hochspannungstransformators durch Widerstände bedämpft sind.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hochspannungsseitigen Enden der Sekundärwicklungen durch einen Widerstand hochfrequenzmäßig abgeschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen