DE2038756A1

DE2038756A1 - Speichervorrichtung mit grosser Informationsspeicherdichte

Info

Publication number: DE2038756A1
Application number: DE19702038756
Authority: DE
Inventors: Wolfe John Edmond; Ledges George Edmund; Glascock Homer Hopson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-08-06
Filing date: 1970-08-04
Publication date: 1971-02-18
Also published as: FR2057016A1; NL7011606A; JPS5126774B1; US3846660A; GB1318098A; FR2057016B1

Description

Patentanwalie

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel

y| "IUy. ι» J.J."«-»"· *■

Dipl-lng. Woligang Reichel

6 Frankfurt a. M. 1 .

Parksiiaße 13 . . 6372

GENERALELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA Speichervorrichtung mit großer'Informationsspeicherdichte

^^S ^Sf SSw ShS SI? SSS ^SS SSS StS SS55S ^^5 SS? StSS SS SSS SSS SS SSS SSS SSS ^SS SSS <wB SSS ^Γ^^β

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Vorrichtung mit großer · Informationsspeicherdichte, bei der ein Elektronenstrahl die Information auf ein in einer evakuierten Kammer angeordnetes Speichermittel aufzeichnet und die aufgezeichnete Information wiedergewinnt, ,

Solche Speichervorrichtungen, bei denen die Informationen mit einem Elektronenstrahl aufgezeichnet und gelesen werden, dienen zum Speichern von großen Informationsmengen mit einem hohen Datenauflösungsvermögen.

Großraumspeicher, in denen Daten gespeichert und wiederauf- μ gefunden werden sollen, müssen heute eine Speicherkapazität

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von etwa 10 Datenbits haben. Eine derart hohe Speicherkapazität ist notwendig, um die an einen heutigen Archivspeicher gestellten Anforderungen zu erfüllen. Die Speicherdichte der bekannten Speicher wird vor allem durch die mangelhafte Auflösung der gespeicherten Daten begrenzt. Infolge des geringen Auflösungsvermögens 1st es notwendig, daß die bekannten Speicher zum Speichern von großen Datenmengen sehr groß ausgebildet sind, was wiederum lange Zugriffszeiten zur Folge hat. Um elementare Datenbits zu speichern oder wiederaufzufinden, werden heute verhältnismäßig komplizierte und langsam arbeitende mechanische Einrichtungen benutzt. Bei eine» bekannten Speichergerät wird ein Laserstrahl benutzt»

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der die Daten auf ein lichtempfindliches Speichermittel aufschreibt und von diesem abliest. Dabei ist das Speichermittel ein langes kontinuierliches Band. Die Information wird dadurch aufgezeichnet, daß der Strahl diagonal über das , Band geführt wird, wenn sich das Band in Längsrichtung bewegt. Auf diese Weise werden auf der gesamten Länge des Bandes parallele Abtastzeilen gebildet. Infolge von systemeigenen Grenzen, die die Wellenlänge der Laserenergie betreffen, die in der Größenoi*dnung von 5000 bis 6000 A liegt, können die Daten nur mit einem Auflösungsvermögen aufgezeichnet werden, das größer als einige Mikrometer ist. Zum

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Speichern von 10 Datenbits benötigt man daher ein 8 mm

P breites und 730 m langes Band. Bei einem solchen Speicher . treten sehr hohe Zugriffszeiten auf.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, hat man versucht, eLnen fotografischen Film mit einem Elektronenstrahl zu beschreiben. Dazu wurden 35-mm-Plättchen durch einen Elektronenstrahl mit einer Auflösung von 3/um beschrieben. Um eine

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Speicherkapazität von 10 Bits zu erhalten, sind 200000

einzelne Plättchen notwendig. Für eine solche Speichervorrichtung braucht man Jedoch eine komplizierte mechanische Zugriffseinrichtung. Weiterhin ist es notwendig, den fotografischen Film zu entwickeln, bevor die Information überprüft oder gelesen werden kann. Ferner können die Daten nicht auf- W einanderfolgend eingegeben werden.

Auf dem Gebiet der Elektronenmikrokospie hat man versucht, mit einem tastenden Elektronenstrahl von geringem Brennfleckdurchmesser, wie es heute bei Elektronenmikroskopen üblich ist, digitale Information durch einen selektiven Ätzvorgang oder eine dazu vergleichbare Bearbeitungstechnik aufzuzeichnen. Diese Entwicklung hat zu Geräten geführt, bei denen der Brennfleckdurchmesser des Elektronenstrahls in der Größenordnung von einigen hundert Angstrom oder Weniger liegt. Dadurch wird ein wesentlich besseres Auflösungsvermögen als bei den obigen Speichervorrichtungen erzielt. Allerdings haben die benutzten Elektronenatrahlen ©in© verhältnismäßig

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niedrige Leistungsdichte und sind daher nicht in der Lage, direkt eine dauerhafte Datenaufzeichnung auf den heute üblichen > Aufzeichnungsmaterialien vorzunehmen. Bis heute sind daher noch keine Speichervorrichtungen bekannt geworden, die mit Elektronenstrahlen hoher Auflösung und gleichzeitig äußerst hoher Stromdichte arbeiten, um eine dauerhafte Datenspeicherung vorzunehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Speichervorrichtung mit außerordentlich großer Speicherdichte zu schaffen, bei der die Daten dauerhaft und direkt mit einer wesentlich größeren Auflösung aufgezeichnet und die aufge- *

zeichneten Daten gelesen werden können, als es bei den UbIi- ™ chen Speichergeräten zum Speichern von großen Datenmengen möglich ist. Ferner soll die Zugriffszeit zu den aufgezeichneten Daten klein sein.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Speichervorrichtung nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in der evakuierten Kammer eine Fadenkatode mit einer äußerst kleinen Emis- sionsoberflache angeordnet ist, daß die ein elektrisches Feld erzeugende Einrichtung innerhalb der Kammer um die Emissionsoberfläche herum ein im wesentlichen halbkugelförmiges elektrisches Feld mit einer an der Emissionsoberfläche hinreichend hohen elektrischen Feldstärke ausbildet^» daß ein divergieren- « der Elektronenstrahl mit einer hohen Emissionsstromdichte ent- ™ steht, daß eine erste Fokussierlinse den divergierenden Elektronenstrahl in einen gebündelten Elektronenstrahl-umsetzt, daß eine zweite Fokussierlinse den gebündelten Elektronenstrahl in einen konvergierenden Elektronenstrahl umsetzt, dessen Fokussierungspunkt auf der Oberfläche des Speichermittels einen äußerst kleinen Brennfleck hoher Stromdichte bildet, daß eine .Ablenkeinrichtung den Elektronenstrahl auf der Speichernd.tteloberflache ablenkt, daß eine Modulationseinrichtung zum Aufzeichnen von Information die Stromintensität des über die S^eicheraitteloberflache gelenkten Elektronenstrahls moduliert und daß eine in der Kammer angeordnete Leseeinrichtung die aufgezeichnelje IDoformation wiedergewinnt.

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Auf diese Weise wird eine Speichervorrichtung geschaffen, deren tastender oder abgelenkter Elektronenstrahl einen äußerst kleinen Brennfleck und eine sehr hohe Stromdichte hat, so daß die Daten durch Mikrobearbeitung von elementaren Teilen des Speichermittels mit einer außerordentlich hohen Speicherdichte auf dem Speichermittel aufgezeichnet werden können. Das Lesen der gespeicherten Daten erfolgt ebenfalls mit dem tastenden Elektronenstrahl, wobei modulierte Elektronen von dem als Zielfläche benutzten Speichermittel von einer Elektronendetektoreinrichtung gesammelt und nachgewiesen werden. Der Lesestrahl wird mit einer geringeren Stromdichte als der Schreibstrahl betrieben, so daß die aufgezeichneten Datenbits nicht zerstört werden. Damit eine große Speicherkapazität erzielt wird, können die Daten in zahlreichen diskreten Datenblöcken gespeichert werden, die von dem Elektronenstrahl durch magnetische oder elektrische Ablenkung getastet werden. Vorzugsweise sind mechanische Antriebsvorrichtungen vorgesehen, die die Datenblöcke sowohl zum Schreiben als auch zum Lesen bezüglich des Elektronenstrahls genau einstellen können.

Der Elektronenstrahl wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch ein neues Elektronenemissionssystem erzeugt, bei dem die thermionische Emission durch ein elektrisches Feld unterstützt wird. Die Elektronenemissionsquelle enthält eine Katode mit einem haarnadelartigen Heizfaden, an dem eine Einkristall-Wolframnadel mit einer äußerst kleinen Emissionskatodenspitze angeschweißt ist. Gesintertes Zirkonium ist in Form einer Kugel am Grundabschnitt der Nadel angebracht. Beim Erhitzen des Heizfadens und der Nadel wandert das Zirkonium als fester Stoff zur Nadelspitze. Das Zirkonium verringert die Austrittsarbeit an der 100-Kristallflache an der Spitze des Wolframkristalls bis auf einen Wert, der erheblich unter denjenigen Werten an den anderen Oberflächen liegt. Ferner weist das Emissionssystem eine mit einer Bohrung versehene Anoden- und Gitterelektronenanordnung auf, die um die emittierende Katodenspitze herum ein kugelförmiges elektrisches Feld

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erzeugt, das an der Katodenspitze eine sehr hohe elektrische Feldstärke aufweist, die eine Elektronenemission mit einer sehr großen Leistungsdichte zur Folge hat.

Das elektronenoptische System der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung enthält zwei Fokussierlinsen, die mit einem einzigen Abbildungsvorgang die von der Katodenspitze emittierten Elektronen auf dem Ziel oder der Speicheroberfläche abbilden. Dabei ist die Katodenspitze, die etwa in der Ob^ektebene liegt, im Brennweitenpunkt der ersten Linse angeordnet. Das Ziel, das die Bildebene darstellt, ist im Brennweitenpunkt der zweiten Linse angeordnet. Der fokussierte Schreibstrahl trifft mit einer hinreichend hohen Leistungsdichte auf die Zieloberfläche auf, daß mindestens ein Teil des dort vorhandenen Materials verdampft. Die Modulation des Elektronenstrahls wird mit einer Modulationsspule erreicht, die die Elektronenstrahlachse bezüglich einer Begrenzungsöffnung oder Begrenzungsblende, die nahe bei der Elektronenquelle angeordnet ist, ablenkt oder versetzt. Vor der letzten Fokussierlinse ist eine Gruppe von Ablenkspulen angeordnet, die in der Ebene des Speichermittels den Elektronenstrahl sowohl in X- als auch in Y-Richtung ablenken können.

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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch ein nach der Erfindung aufgebautes Elektronenstrahlspeichergerät mit einem Speichermittel geringer Ausdehnung.

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab ©ine Seitenansicht des Speichermittels und einen in dem Gerät nach Fig. 1 benutzten Elektronendetektor.

Fig. 3 ist eine Teilansicht des in dem Gerät nach Fig. benutzten Speichern
nete Datenstruktur.

benutzten Speichermittels und zeigt die aufgezeich-

Fig. 4 zeigt mehrere Diagramme, die die Bildung des Modulationseingangssignals zeigen.

Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer abgeänderten reflektierenden Leseanordnung.

Fig. 6 1st ein Querschnitt durch das gesamte Elektronenstrahlspeichergerät nach Fig. 1.

Fig. 7 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt der in Fig. 6 dargestellten Elektronenstrahlquelle.

Fig. 8 ist ein weiterer vergrößerter Querschnitt durch die Elektronenstrahlquelle und Katodenanordnung.

Fig. 9 , erläutert in einem Diagramm eine durch ein Feld unterstützte thermisch© Elektronenemission.

Fig. 10 zeigt schematisch als weitere Ausführungsform der Erfindung ein Elektronenstrahlspeichergerät mit einem Speichermittel großer Ausdehnung und mit einem mechanischen Antrieb zur Positionseinstellung des Speichermittels.

Fig. 11 ist eine Teilansicht des in dem Gerät nach Flg. benutzten Spelcheraittels.
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Das in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Elektronenstrahlspeichergerät nach der Erfindung ist in der Lage, mit einer außerordentlich hohen Speicherdichte von mehr als 1Cr Datenbits /cm² Daten bleibend oder dauerhaft zu speichern. Die Daten werden mittels eines abgelenkten Elektronenstrahls mit einem außerordentlich kleinen Strahlungspunktdurchmesser in der Größenordnung von O, 1 /um und mit einer äußerst hohen Stromdichte aufgezeichnet. Obwohl in dem beschriebenen Gerät der Elektronenstrahl magnetisch abgelenkt wird, kann die Ablenkung auch auf elektrostatischem Weg vorgenommen werden. Der Schreibstrahl hat im Brennpunkt eine Stromdichte von 10^ A/cm² oder mehr. Die Leistungsdichte beträgt daher bei I

mittelmäßigen Anodenspannungen 10' W/cm oder mehr. Der Schreibstrahl wird in Abhängigkeit von den Eingangsdaten moduliert, so daß er bei« Überstreichen der Oberfläche des Speichermittels durch Verdampfen von elementaren Teilen das Speichermittel 1 wahlweise in feinster Art bearbeitet. Dabei werden Ablenk- oder Überstreichungsgeschwindigkeiten von mehr als 10' Datenbits/see angewendet. Die aufgezeichneten oder gespeicherten Daten werden mittels eines abgelenkten Elektronenstrahls zerstörungsfrei gelesen, der mit einer geringeren Leistung betrieben wird, und zwar etwa mit einem Zehntel des Leistungspegels des Schreibstrahls.

Sowohl zum Schreiben als auch zum Lesen enthält das Elektro- -nenstrahlspeichergerät eine Elektronenstrahlquelle oder Emissionsquelle 3 und einen elektronenoptischen Teil 4 -mit einer evakuierten Kammer 5, die den Elektronenstrahl umschließt. Die Elektronenstrahlquelle 3 erzeugt den Elektronenstrahl und enthält als Hauptbestandteile eine Katodenanordnung 7, eine Steuerelektrode β und eine Anodenelektrode 9. Der elektronenoptische Teil 4 steuert, fokussiert und lenkt den Elektronenstrahl ab und enthält als Hauptbestandteile Fokussierspulen 1OA und 10B₉ Ablenkspulen 11 und Modulationsspulen Die Elektronenstrahlquelle 3 und der elektronenoptische Teil 4 weisen nach der Erfindung Maßnahmen auf, die eine

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äußerst hohe Auflösung und hohe Stromdichte des fokussierten Elektronenstrahls zur Folge haben. Diese Maßnahmen wer- · den im einzelnen an Hand von Fig. 6 und 7 beschrieben. Eine in Blockform dargestellte Eingangseinrichtung 13 liefert die Eingangssignale zum Modulieren des Elektronenstrahls. Die Eingangseinrichtung 13 kann eine herkömmliche Digitaldatenquelle enthalten, beispielsweise das Peripheriegerät eines Digitalrechners. Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung das Modulationssignal Digitaldaten enthält, ist die Erfindung auf solche Daten nicht beschränkt und kann andere Datenformen verwenden, beispielsweise analoge und alphanumerische Daten.

Eine als Block dargestellte Vakuumpumpe 14 ist an die Kammer 5 angeschlossen und dient zum Herstellen eines mittleren.Vakuums in der Größenordnung von 10 ' mm Quecksilbersäule. Ein Vakuum der genannten Größenordnung stellt einen Kompromiß dar, und zwar insofern, als es zum einen leicht herzustellen und aufrecht zu erhalten und zum anderen mit den hohen Anforderungen, die nach der Erfindung an das Gerät gestellt werden, kompatibel ist. In der Kammer 5 ist eine Leseanordnung in Form eines Elektronendetektors 15 angeordnet, auf dem das Speichermittel 1 liegt. Das Speichermittel 1 und der Detektor 15 sind an einer Grundplatte 16 befestigt. Eine mit dem Detektor 15 verbundene Ausgangseinrichtung 17 empfängt die gelesenen Daten. Eine Hauptsteuer-Schaltanordnung 18 ist mit der Eingangseinrichtung 13 und mit der Ausgangseinrichtung 17 verbunden. Die Schaltanordnung 18 enthält zahlreiche Schaltglieder herkömmlicher Bauart, die die Verknüpfungsfunktionen zum Steuern der Schreib- und Lesevorgänge bereitstellen. Weiterhin enthält die Schaltanordnung einen Taktgeber, der den Haupttakt für die genannten Vorgänge liefert.

Der Elektronendetektor 15 kann in herkömmlicher Weise aufgebaut sein. Bei der beschriebenen AusfUhrungsform handelt

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es sich um einen Einkristall-Silicium-PIN-Flächenhalbleiter, der auf Grund von eindringenden Elektronen des Lesestrahls ElektronenlÖcherpaare erzeugt. Wie es aus der Seitenansicht von Fig. 2 hervorgeht, enthält der Siliciumde- .·« tektor eine P-Zone 20» eine I (intrinsic)-Zone 21 und eine N-Zone 22. An der P- und N-Zone sind Kontakte 23 bzw. 24 vorgesehen. Das Speichermittel 1 ist eine auf der P-Zone aufgebrachte dünne Schicht. Zur Vorspannung in Rückwärtsrichtung ist eine Gleichspannungsquelle 25 über einen Zuleitungswiderstand 26 an die Kontakte 23 und 24 angeschlossen. Zum Abfühlen eines durch den Detektor 15 fließenden LeseStroms sind Ausgangsklemmen 27 über einen Kondensator | 28 mit den Kontakten 23 und 24 verbunden.

Zum Schreiben wird der Elektronenstrahl mit einer hohen Strom- und Leistungsdichte betrieben. Beim überstreichen der Oberfläche des Speichermittels 1 nimmt der Elektronenstrahl infolge der Strahlenmodulation durch die aufzuzeichnenden Datenbits eine wahlweise Feinstbearbeitung von winzigen Teilen des Speichermittels vor. Die mit hoher Geschwindigkeit auf die winzigen oder elementaren Teile des Speichermittelmaterials auf treffenden Elektronen bewirken eine Erhitzung und schnelle Verdampfung dieser Teile. Der Verdampfungsvorgang ist darauf zurückzuführen, daß die Elektronen hoher - m Dichte des fokussierten Elektronenstrahls das Speichermit- - ™ telmaterial mit einer verhältnismäßig hohen kinetischen Energie durchdringen. Da die Elektronen durch die Masse des Materials sehr schnell abgebremst werden, entsteht Wärme, die in einem örtlich begrenzten Bereich die Temperatur bis zu einem Punkt ansteigen läßt, der im Dampfdruck-Temperatur-Diagramm des betreffenden Speichermittelmaterials über der Schwell- oder Grenztemperatur liegt. Unter dieser Schwelloder Grenztemperatur wird dabei eine Temperatur verstanden, bei der der Dampfdruck als Funktion der Temperatur steil anzusteigen beginnt. Bei solchen hohen Temperaturen wird der Dampfdruck des örtlich begrenzten Bereichs um einige Grö-

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ßenordnungen über den Umgebungsdruck angehoben, so daß eine schnelle oder sprungartige Verdampfung des Speichermittelmaterials einsetzt.

Vorzugsweise wird der Elektronenstrahl dadurch moduliert, daß durch Anlegen des Eingangssignals an die Modulationsspulen 12 der Elektronenstrahl gegenüber seiner Zentralachse wiederkehrend verschoben wird, so daß es den Anschein hat, als sei der Elektronenstrahl längs seines Weges teilweise unterbrochen. Dabei wird eine konstante Stromemission aufrechterhalten, jedoch die Stromdichte im Fokussierungspunkt moduliert. Von den Ablenkspulen 11 wird der Elektronenstrahl längs paralleler Datenzeilen sehr schnell abgelenkt, die aufeinanderfolgend auf der Oberfläche des Speichermittels gebildet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hat das Speichermittel 1 eine Speicherfläche von etwa 0,9 mm im Quadrat (36 mils square) mit etwa 4500 Datenzeilen und etwa 4500 auflösbaren Elementen pro Datenzeile. Auf diese Weise entsteht eine Speicherkapazität von mehr als 2·10' Bits. Fig. 3 zeigt eine kleine Fläche des Speichermittels 1 in stark vergrößertem Haßstab. Dabei sind vier Datenstreifen 31f 32, 33 und 34 dargestellt, deren Ränder die Datenzeilen enthalten. Spuren 35 zwischen den Datenstreifen werden zur Steuerung des Lesestrahls benutzt, wie noch beschrieben wird. Die Information wird in Längsrichtung von beiden Rändern jedes Datenstreifens in auflösbaren Elementen der Datenzeilen aufgezeichnet. Auflösbare Elemente sind beispielsweise bei m und η gezeigt. Wie es üblich ist, enthalten die Datenzeilen an ihrem Beginn eine Reihe von bekannten Datenbits, die beim Lesen als Bezugsbits dienen. Bei dem vorliegenden Format haben die Datenstreifen einen Abstand von 0,4 ,um. Die auflösbaren Elemente sind 0,2 /um lang. Die digitale Information in Form von binären Einsen und Nullen wird durch

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eine 180°-Phasenmodulatlon einer Rechteckschwingung bei der halben Bezugstaktfrequenz dargestellt, die die Schalt- ■*■ anordnung 18 liefert. Auf diese Weise werden die Datenstreifen entweder in der ersten oder zweiten Hälfte des Strahlenweges in jedem auflösbaren Element feinstbearbeitet. Der Schreibstrahl kann das Speichermittel nahezu längs der gesamten Stärke oder lediglich längs eines Bruchteils der Gesamtstärke verdampfen lassen.

Wie es bei A in Fig. 4 gezeigt ist, können die binären Bits als Folge von Einsen und Nullen mit zwei zugeordneten Gleichspannungswerten zugeführt werden. Die Zuführfrequenz kann I 10 MHzbetragen. Das in Fig. 4 bei B gezeigte Taktsignal hat die zweifache Datenfrequenz, also 20 MHz. Bei C ist in Fig. 4 die phasenmodulierte Rechteckschwingung gezeigt, die den bei A dargestellten Datenbits entsprechen, die als Eingangssignal zum Modulieren des Elektronenstrahls dienen. Da das Taktsignal eine Frequenz von 20 MHz hat, wird ein einzelnes Datenbit in 0,1 /usec aufgezeichnet.

Das Speichermittel 1 muß aus einem kräftigen und beständigen Material bestehen, das zum Erzielen der erforderlichen Auflösung des erfindungsgemäßen Geräts infolge der Einwirkung des Schreibelektronenstrahls an ausgewählten Stellen schnell -m verdampft und von dem mit einer geringeren Leistung einwir- ™ kenden Lesestrahl in keiner Weise beeinträchtigt oder verändert wird. Als Haupteigenschaft soll das Speichermittel 1 einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck bei der Schreibtemperatur haben, wobei der Dampfdruck eine steile Funktion der Temperatur oberhalb des Schwell- oder Grenzpunktes sein soll. Ferner soll das Speichermittel eine hohe Dichte und eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben. Infolge eines hohen Dampfdrucks bei der Schreibtemperatur verdampft das Material infolge der Wärme des Schreibstrahls äußerst schnell. Die steile Dampfdruck-Temperatur-Funktion gestattet es, daß der -

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mit einer geringeren Leistung betriebene Lesevorgang keine Verdampfung des Materials hervorruft. Eine hohe Dichte und eine geringe Wärmeleitfähigkeit gestatten es, daß sich das Material nur an einer örtlich begrenzten Stelle erhitzt und damit verdampft, so daß eine sehr große Auflösung möglich ist. Die genauen Werte eines Materials, das die obigen Eigenschaften erfüllt, hängen von den Schreib- und LeseStrahlparametern und von den gestellten Anforderungen an das Elektronenstrahlspeichergerat ab, beispielsweise von der gewünschten Auflösung, Schreib- und Lesegeschwindigkeit usw. Die Beziehungen zwischen diesen P Angaben nehmen ebenfalls Einfluß auf die Auswahl von besonderen Materialwerten. So hängt beispielsweise die Forderung nach einem hohen Dampfdruck, einer hohen Dichte und einer geringen Wärmeleitfähigkeit umgekehrt von der Stromdichte des Schreibstrahls ab.

Als Speichennittel kann man Materialien verschiedener Materialklassen verwenden, einschließlich von Halbmetallen, Halbleitern und Dielektrika. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird eine Legierung aus Selen mit 10 bis 20% Arsen benutzt, um eine amorphe Form von Selen zu erhalten. Dieses Material hat ein spezifisches Gewicht oder eine Dichte von etwa 4,3, eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 10 ™ cal/sec, cm und ⁰C und einen Dampfdruck von etwa 10 mm Quecksilbersäule bei einer Schreibtemperatur von 700 ⁰C. Dieser Druck vermindert sich auf etwa 10 mm Quecksilbersäule bei einer Lesetemperatur von 70 ⁰C, Das Material ist als dünne Schicht oder als Film auf der einen Oberfläche des Elektronendetektors 15 aufgebracht, und zwar mit einer Stärke von etwa 1500 bis 3000 A.

Wie bereits mehrfach erwähnt, wird beim Auslesen der Elek-

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tronenstrahl mit einer geringeren Leistungsdichte betrieben. Dies kann man auf verschiedene Welse erreiche. Vorzugsweise wird die Stromdichte im Brennpunkt durch eine

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Teilunterbrechung oder ein teilweises Abfangen des Elektronenstrahls dadurch vorgenommen, daß der Strahl längs seiner zentralen Achse geschwächt oder zerstreut wird. Infolge der geringeren Leistungsdichte des Lesestrahls tritt auch eine geringere Erwärmung-des Speichermittels auf. Der Dampfdruck ist ebenfalls erheblich geringern als beim Schreibstrahl. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 laufen die Elektronen des abgelenkten Lesestrahls durch die weggeäzten Abschnitte der Datenelemente und dringen in den Elektronendetektor 15 ein. Durch die eindringenden Elektronen werden Elektronenlöcherpaare erzeugt, die an die Ausgangseinrichtung 17 zugeordnete Lesesignale abgeben. Das Lesesignal enthält die Lesedaten inform einer phasenver- '

schobenen Information, wie es beim Eingangssignal der Fall ist. Um eine hohe Genauigkeit des Lesesignals zu erreichen, wird dieses Signal während des Lesens jedes Datenbits mit der Taktfrequenz synchronisiert.

Damit der Lesestrahl jeder Datenzeile genau folgt, ist eine Regel- oder Nachlaufanordnung vorgesehen, die eine Strahlenabwanderung abfühlt und korrigiert. Hierzu kann man herkömmliche Regeleinrichtungen benutzen. Bei dem Speichergerät nach Fig. 1 wird eine Zeilenrandregelung vorgenommen, bei der beim Abtasten einer Datenzeile die Abweichung des Strahls vom Rand der Datenspur abgeführt und ein entsprechendes ' Jj Korrektursignal erzeugt wird. Zu diesem Zweck kann in der Ausgangseinrichtung 17 eine Regeleinrichtung mit einem Tiefpaßfilter und mit einem Fühler für die Regelabweichung vorgesehen sein. Sobald der Strahl von einer abgetasteten Datenzeile auf die angrenzende Regelspur zu- oder wegläuft, wird im Lesesignal ein Niederfrequenzanteil erzeugt, dessen Betrag eine Funktion der Strahlenabweichung ist. Auf Grund dieses Niederfrequenzanteils erzeugt die Regeleinrichtung ein Korrektursignal, das zur Kompensation'des Strahlenwegs den Vertikalablenkspulen zugeführt wird. -

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In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Leseanordnung dargestellt, die auf dem Reflexionsprinzip beruht. Bei dieser Ausführungsform ist ein Speichermittel 41 auf einem Träger 42 aufgebracht, beispielsweise auf Glas. Über der Speicheroberfläche ist ein gegenüber dem auftreffenden Elektronenstrahl versetzter Elektronendetektor 43 angeordnet. Der Elektronendetektor 4.3» der in üblicher V/eise aufgebaut und den in fig, 2 dargestellten PIN-FlachenhaIbleiter enthalten kann, empfängt die von der Oberfläche des Speichermittels reflektierten Lsseelektronen. Bei den empfangenen Elektronen kann es sieh um reflektierte Primäreletronen und bzw. oder Sekundärelektronen handeln. Zum Feststellen der Sekundär elektronen «iru dem Detektor in üblicher Weise eine Beschleunigung*·sparm-.,?n«· ^ugaführt, Iia übrigen

findet der Lesevorgang ir : ; f.:,e:;^! ähr"liehen Weis?- statt, wie

es bereits beschrieben Ii"';.. .:*.:>:* Grk>:;id der empfangenen reflektierten. Elektronen βΓΣ,·;.;α_έ: ■ έ.ΐϊ ' Detektor¹ E;le}<:tr;'>r::enlö-

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Fig. 6 zeigt einen Lä;rt,gss':::.r.vrvL-tr^f; äiiroh das gesaste.: in Fig. dargestellte Elektronsnstraiil-sp-siciiergerät mit der Elektronenstrahlquelle 3 und aeiE alc^tronsnoptischen Teil 4, Ein vergrößerter Teilschnitt durch die Elektronenstrahlquelle ist in Fig. 7 dargestellt. Pig, S zeigt in noch stärkerer Vergrößerung einen Schnitt durch die Katodenanordnung. Die in den Figuren 6 und 7 dargestellte Elektronenstrahlanord- nung erzeugt einen Elektronenstrahl,dessen theoretische Stromdichte j im Fokussierungspunkt auf der Zielebene durch die folgende LangmuiAche Gleichung bestimmt Ist;

eV

d₀ (1 + ff )

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Dabei ist 3 die Emissionstromdichte an der Katodenemissionsoberfläche,
e die Elektronenladung,
V die Spannung des Zielpunktes, K die Boltzmann-Konstante T die absolute Temperatur und du der Halbwinkel am Brennfleck.

Die an das Speichergerät gestellten Anforderungen liegen bezüglich der obigen Gleichung der Elektronenstrahlanordnung einer Reihe von Grenzwertbedingungen auf, und zwar insbesondere dadurch, daß im Zielpunkt die Stromdichte außer- f ordentlich hoch sein soll. Damit man eine hohe Brennfleck-Stromdichte J erreicht, ist es vor allem notwendig, die Katodenemissionsstromdichte j_Q so groß wie möglich zu machen. Ferner ist die Stromdichte J der Zielspannung V proportional. Die Spannung ¥ ist allerdings auch der Geschwindigkeit proportional» mit der die Elektronen auf dem Ziel auftreffen. Eine zu hohe Spannung führt daher dazu, daß sich die erhitzten Stellen auf dem Speichermittel ausdehnen, wodurch die Auflösung nachteilig beeinträchtigt wird. Bei der Wahl der Spannung ¥ muß man die obigen Gesichtspunkte berücksichtigen. Weiterhin ist, wie man obiger Gleichung entnimmt, die Stromdichte 3 der Temperatur T umgekehrt proportional. _ Die Erwärmung oder Erhitzung der Katode ist daher begrenzt. -M

Wie Fig. 7 zeigt, enthält die Katodenanordnung 7 einen haarnadelfönaigen Heizdraht 50 mit einer Katodennadel 51, die an dem gekrümmten Abschnitt des Heizfadens 50 angebracht ist. Zum Heizen des Heizdrahts 50 ist an die Heizdrahtklemmen eine Potentiometeranordnung mit einer Gleichspannungsquelle 52 und einem dazu parallelgeschalteten Widerstand 53 angeschlossen. Eine negative Hochspannungsquelle -¥,| ist an einen Abgriff des Widerstands 53 angeschlossen. Eine Abschirmung 54 umgibt die Katode, das — Gitter und einen Teil der Anodenanordnung. Die Gitterelek-

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trode 8 ist in Form einer Scheibe mit einer Öffnung 55 ausgebildet, durch die sich die Katodennadel erstreckt. Eine negative Spannungsqueile -V₂ ist mit dem Gitter 8 verbunden. Die Gitterspannung ist geringfügig negativer als die Spannung der Spannungsquelle -V₁. Die Anodenelektrode 9 ist von einspringender Bauart, wobei der einspringende Teil der Anode eine zentrische Öffnung 56 aufweist, die unmittelbar vor der Katodenspitze angeordnet ist. Die Anodenelektrode 9 ist geerdet, was auch für die vor der Anode liegende Anordnung zutrifft. Das gegenüberliegende oder vordere Ende der Anodenelektrode weist eine begrenzende Lochelektrode 57 auf, die scheibenförmig ausgebildet ist und eine zentrische Begrenzungsöffnung 58 hat. Eine zylindrische Hülse 59 umschließt die beschriebene Slektronenemissionsanordnung. In der Gitter- und Anodenanordnung angebrachte Bohrungen oder Durchgänge» beispielsweise an den Stellen 67, 68 und 69, erleichtern das Evakuieren des Elektronenemissionsbereichs. Die Anodenelektrode, Gitterelektrode und Katodennade !anordnung erzeugen zusammen mit den angelegten Potentialen ein halbrundes oder halbkugeliges elektrisches Feld um die Katodenspitze, wobei die Katodenspitze im radialen Mittelpunkt der Halbkugel liegt. Das habelkugelförmig ausgebildete elektrische Feld erzeugt in Verbindung mit der äußerst geringen Abmessung der Katodenspitze einen sehr hohen elektrischen Feldgradienten nahe bei der Spitze. Ferner gebrenzt das halbkugelige Feld Aberrationen in dem fokussieren Strahl.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat die Katodennadel 51 eine Länge von etwa 0,76 mm (30 mils) und erstreckt sich um etwa 0,25 mm (10 mils) über die Gitterelektrode 8 hinaus. Diese Abmessung ist in Fig. 8 mit g bezeichnet. Die Gitterelektrode schützt und schirmt den haarnadelfönaigen Heizfaden ab und trägt dazu bei, daß die Elektronenemission auf die Spitze der Katodennadel

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beschränkt ist. Ferner dient die Gitterelektrode zur Ausbildung des halbkugeligen elektrischen Feldes. Die Emis- ' ■ sionsoberfläche an der Spitze der Katodennadel hat einen Radius von etwa 1 /um. Die öffnung 55 der Gitterelektrode hat einen Durchmesser von etwa 0,25 mm (10 mils). Die Anodenelektrode 9 ist etwa 0,76 mm (30 mils) vor der Gitterelektrode 8 angeordnet. Dieser Abstand ist in Fig. 8 mit h bezeichnet. Die Anodenelektrode ist an dem vorderen Ende etwa 28,6 mm (1,125 inch) breit und hat in axialer Richtung eine Gesamtlänge von etwa 27,9 mm

(1,1 inch). Die Anodenöffnung 56 hat einen Durchmesser |

von etwa 0,25 mm (10 mils), und die Begrenzungsöffnung 58 hat einen Durchmesser von etwa 0,5 mm (20 mils). Bei der angegebenen Länge, Abmessung und Vorwartserstreckung der Katodennadel 51, des Abstands zwischen dem Gitter und der Anode und den Abmessungen des Gitters, der Anodenöffnung und Begrenzungsöffnung kann man 5,0 kV für die Spannung -V., und 5,3 kV für die Spannung -Vp wählen. Dabei ergibt sich an der Katodenspitze ein elektrischer Feldgradient von 10 V/cm. Bei einer Spannung von 10,0. kV für -V^ und 10,3 kV für -V^ wird der Abstand zwischen dem Gitter und der Anode geändert. Der Abstand ergibt sich zu etwa 1,0 mm (40 mils), wenn an der Katodenspitze ein elektrischer Feldgradient von 10' V/cm aufrechterhalten M

werden soll. Der Heizdraht wird auf eine Temperatur von etwa 1800 ⁰K gebracht. Bei dieser Temperatur bleibt die Katodenspitze von verunreinigenden adsorptionsfähigen Atomen in dem benutzten mittleren Vakuum befreit. Der äußerst hohe elektrische Feldgradient erzeugt in Verbindung mit dem Erhitzen des Heizdrahts an der Katodenspitze eine durch die hohe Felddichte unterstützte therionische Emission. Es soll daraufhingewiesen werden, daß der hohe elektrische Feldgradient von 10 V/cm bei einer mittelmäßigen Anodenspannung von weniger als 5 bis 10 kV erreicht wird. Diese Spannungswerte, insbesondere der un-

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tere Wert, lassen die Elektronen nicht mit einer allzu hohen Geschwindigkeit auf das Ziel auftreffen. Dadurch wird eine diffuse Erhitzung des Ziels und damit eine Verminderung der Auflösung vermieden. Weiterhin besteht bei einer zu hohen Elektronengeschwindigkeit die Gefahr, daß sie ein zu dünnes Ziel vollständig durchdringen und in dem Ziel- oder Speichermittelmaterial zu wenig Wärme erzeugen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der haarnadelförmige Heizdraht 50 aus Rhenium, das wegen seiner hitzebeständigen und duktilen Eigenschaften gewählt worden ist. Der Heizdraht hat einen Durchmesser von etwa 0,25 mm (10 mils), der sich an der Krümmung bis auf 0,18 mm (7 mils) verringert, wie es in der vergrößerten Darstellung aus Fig. 8 hervorgeht. Die Katodennadel 51 ist ein orientierter Wolframeinkristall mit der 100-Kristallflache an der Nadelspitze, Diese Fläche wird zum Vermindern der Arbeitsfunktion bevorzugt. Die 100-Kristallflache steht vorzugsweise auf der Längsachse der Nadel senkrecht» und zwar mit einer Toleranz von 1°. Die Nadel 51 ist an dem Heizdraht 50 angeschweißt. Eine Aufschlämmung aus Zirkoniumhydrid wird als Zusatzwerkstoff für die Nadel 51 rund um die Schweißstelle aufgebracht. Beim Erhitzen des Heizdrahts wird das Zirkoniumhydrid zu Zirkonium gesintert. Das Zirkonium wandert über die Oberfläche der Nadel und bedeckt die Nadelspitze. Das Zirkonium bildet eine ständige Auffrischung oder Ergänzung gegenüber den durch Verdampfung und Ionenbombardement hervorgerufenen Einwirkungen. Auf der Oberfläche der Nadel 51 bildet sich eine atomare Schicht aus Zirkonium, die zusammen mit den Sauerstoffatomen des evakuierten Restgases die Austrittsarbeit an der Emissionsspitze von 4,5 Elektronenvolt für reines Wolfram auf 2,8 Elektronenvolt vermindert. Durch den geringeren Querschnitt des

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Heizdrahts 50 in dem gekrümmten Heizdrahtabschnitt steigt dort die Temperatur stärker an als in den anderen Abschnitten des Heizdrahts. Dadurch wird sichergestellt, daß das Zirkonium längs der Nadel 51 in Richtung auf die Nadelspitze wandert. Die dazu benötigte Zirkoniummenge ist sehr gering. Bei einer Heizdrahttemperatur von 1800 ⁰K

—7

in einem mittleren Vakuum von etwa 10 mm Quecksilbersäule wird die Ktodenspitze von adsorbierten Atomen rein gehalten. Durch die beschriebenen Maßnahmen erreicht man eine sehr hohe Lebensdauer der Katode, in der Größenordnung von 1000 Stunden und mehr'. Die optimale Heizdraht- . , temperatur ist eine Funktion des Drucks. Bei einem mittel- f mäßigen Vakuum bewegt sich der Temperaturbereich zwischen 1750 und 1850 .⁰K.

In dem Diagramm nach Fig. 9 sind für ein vorgegebenes
Vakuum einige durch das elektrische Feld unterstützte
thermionische Emissionskurven für Wolframkatoden mit und ohne Zirkoniumüberzug bei verschiedenen Heiztemperaturen

it?

dargestellt. Dabei ist die Emissionsstromdichte in A/cm

in Abhängigkeit von dem elektrischen Feldgradienten oder der elektrischen Feldstärke in V/cm dargestellt. Bei der Kurve A handelt es sich um eine reine Wolframkatode, die auf eine Temperatur von 2000 ⁰K erhitzt ist. Diese Kurve * schneidet die Feldgradientenlinie von 10 V/cm"bei einer ™ Stromdichte von etwa 10 A/cm . Bei der Kurve B handelt es sich um eine zirkoniumbeschichtete Wolframkatode, die auf 1500 ⁰K aufgeheizt ist. Mit dieser Katode wird bei einer

7
Feldstärke von 10' V/cm bereits eine Stromdichte von etwa

200 A/cm erzielt. Obwohl bei der Kurve B die Heiztemperatur geringer ist als bei der Kurve A, erhält man infolge der geringeren Austrittsarbeit bei einer zirkoniumbeschichteten Wolframkatode eine wesentlich höhere Stromemission. Die Kurve G gilt für eine reine'Wolframkatode,-die auf eine Temperatur von 2600 ⁰K aufgeheizt ist. Bei
dieser Katode wird die elektrische Feldstärkelinie von

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7 2

10 V/cm bei einer Stromdichte von etwa 500 A/cm geschnitten. Infolge der erhöhten Temperatur des Heizdrahts wird die Stromemission der reinen Wolframkatode über die Stromemissionen bei den Kurven A und B gesteigert. Die Kurve D gilt für eine auf 3000 ⁰K erhitzte reine Wolframkatode. Bei dieser Katode ergibt sich bei einer Feldstärke von 10 V/cm eine Emissionsstromdichte von bereits mehr als 1000 A/cm . Obwohl hierbei sehr hohe Stromemissionsdichten erzielt werden, ist die Heizfadentemperatur bei den Kurven C und D viel zu hoch. Diese hohen Temperaturen haben eine drastische Verringerung der Lebensdauer der Katode zur Folge. Die Kurve E gilt für eine zirkoniumbeschichtete Wolframkatode, die mit einer Temperatur von 1800 ⁰K betrieben wird. Hierbei handelt es sich um die in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebene Kato-. denanordnung. Wie man der Kurve E entnehmen kann, hat diese Katode bei einer erheblich geringeren Temperatur nur eine unwesentlich kleinere Stromdichte als die Katode der Kurve D. Mit der erfindungsgemäßen Katode wird daher bei einer Temperatur von 1800 ⁰K eine sehr hohe Emissionsstromdichte und damit auch eine sehr hohe Zielstromdichte erreicht. Außerdem zeigt die erfindungsgemäße Katode ein stabiles Arbeitsverhalten und weist eine lange Lebensdauer auf.

Wie man Fig. 6 entnimmt, ist auf den gegenüberliegenden Oberflächen der zylindrischen Hülse 59 der Vakuumkammer 5 ein Modulationsspulenpaar 12 angeordnet. Die Hülse 59 ist auch in Fig. 7 zu sehen. Die Modulationsspulen dienen dazu, den Strahl längs einer einzigen Achse in der X-Y-Ebene abzulenken. Diese Ebene verläuft senkrecht zur zentralen Achse Z des Elektronenstrahls, Vor der Anodenelektrode 9 ist eine erste magnetische Fokussierlinse in Form einer Fokussierspule 1OA angeordnet, die um den Umfang der Kammer 5 gewickelt ist und vor allem längs der zentralen Achse des Elektronenstrahls ein Magnetfeld erzeugt.

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Die Spule 1OA ist von herkömmlicher Bauart und die Leiter werden von einem magnetischen Ringspulenrahmen umgeben. Ein Spalt 60 in der Innenwand des magnetischen Spulenrahmens legt die Bezugsebene der Fokussierlinse fest. Die Fokus sier ebene 61 läuft durch die Mitte des Spalts,.,Die Bezugsebene wird dazu benutzt, um die Fokussierspulen gegenüber einander und gegenüber der Objekt- und Bildebene räumlieh auszurichten. Für diese Zwecke ist es besser, die genannte Bezugsebene anstelle der Hauptebene zu benutzen, da bei den beschriebenen Linsen die Hauptebenen nur schwer festgestellt werden können. Vor der ersten Fokussierspule 1OA ist eine ähnliche zweite Fokussierspule 1OB angeordnet. Die zweite Fokussierspule 1OB weist ebenfalls einen Spalt 62 in dem Spulenkörper auf, der die Bezugsebene 63 der zweiten Fokussierlinse festlegt. Ferner ist um die Kammer 5 eine astigmatische Spule 64 herkömmlicher Bauart gewickelt, die im Bereich der Begrenzungsöffnung 58 ein geeignetes axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt. Die astigmatische Spule dient dazu, irgendwelche Astigmatismen, die durch die Fokussierungsspulen 1OA und 1OB hervorgerufen werden, zu kompensieren. Ferner sind auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Vakuumkammerwand 66 nahe bei der Linsenebene 61 zwei Paare von Zentrierungsspulen 65 angeordnet, die den Elektronenstrahl längs zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen in der X-Y-Sbene ablenken können. Mittels der Zentrierspulen wird der Elektronenstrahl derart eingestellt, daß er durch den Mittelpunkt der zweiten Fokussierlinse läuft. Vor der zweiten Fokussierspule 1OB sind zwei Ablenkspulenpaare 11 auf gegenüberliegenden Oberflächen der Wand 66 angeordnet, Die Ablenkspulen können den Elektronenstrahl in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen in der X-Y-Ebene ablenken.

Als nächstes werden die in den Figuren 6 und 7 dargestellten elektronenoptischen Maßnahmen erläutert, Die

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aus der Emissionsoberfläche der Katode austretenden Elektronen bewegen sich infolge des halbkugelförmigen elektrischen Felds im allgemeinen auf auseinanderstrebenden Bahnen, die άβη Radien der Halbkugel entsprechen. Dabei entsteht der Eindruck, als ob die Bahnen von einem Punkt auslaufen, der ein kleines Stück hinter der Katodenemissionsoberfläche liegt. Dieser Punkt wird als das virtuelle Bild der Katode betrachtet. Von den emittierten Elektronen gelangt nur ein Teil durch die Änodenöffnung 56« Die durch diese Öffnung laufenden Elektronen befinden sich innerhalb eines auf die Strahlenachse bezogenen Raumwinkels von 10°. Von den die Änodenöffnung 36 durchsetzten Elektronen läuft wiederum nur ein kleiner Teil durch die Begrenzungsöffnung 58. Diese Elektronen müssen auf Baiinen innerhalb eines Raumwinkels von 1° laufen. Die erste Fokussierspule 10A setzt den divergierenden Elektronenstr: '. , «inen gebündelten Strahl um. Die zweite Fokussiers'iu.' ~ iS<B setzt den gebündelten oder parallelen Elektronen-crar:„ in einen konvergierenden Strahl um» dessen Brennpu/urt ?λ* der Oberfläche des Speichermittels \:l^%z.

Die sphärische Aberration C... ruft in elektronenoptischen Anordnungen ernsthafte Fehlsr hervor. Sie verhindert im allgemeinen die Ausbildung eines scharf fokussierten Bildes. C_g ist vor allem eins Funktion von der Linsenleistung, den räumlichen Abmessungen und der Beschleunigungsspannung. C_s ist der Linsenleistung umgekehrt proportional, oder anders betrachtet» eins direkte Funktion der Brennweite. Das nach der Erfindung aufgebaute elektronenoptische System vermindert beträchtlich die sphärische Aberration der gesamten Anordnung dadurch, daß die effektive sphärische Aberration C*_s jeder Linse so klein wie möglich gemacht wird. C' ist wie folgt definierte

c*_ffl - c. ( -4- ) '⁺ ■

1 0 9 8 ? 8 Ί 8 7 3

Dabeiist a der Abstand der Objektlinse oder Bildebene

von der Häuptebene der Linse und £ die Brennweite der Linse.

Durch die Verwendung eines Foküssierlinsenpaares 1OA,10B kann die Katodenemissionsoberfläche, die etwa der Objektebene entspricht, etwa im Brennpunkt der ersten Fokussierlinse 1ÖA angeordnet werden. Für jede Linse gilt dann, daß a "^ f und C' ^ C_e ist. Dies steht im Gegensatz zu Anord-

ss

mangen mit einer einzigen Fokussierlinse, die das Katodenobjekt in der Bildebene fokussiert. Bei einer einzigen Fo- j kussierlinse ist der Abstand zur Objektebene und zur Bild- .' . ™ ebene wesentlich größer als die Brennweite. Daher ist bei einer solchen Anordnung a> f und C'_s>>C_g. Aus der obigen Betrachtung geht hervor, daß die sphärische Aberration des Systems durch Vergrößern der Leistung der Fokussierspulen 10A und 1OB innerhalb gewisser Grenzen vermindert wird. Bezüglich der Fokussierspule 1OA ist eine solche Grenze im allgemeinen die räumliche Abmessung und Ausbildung der Anodenanordnung. Bezüglich der Fokussierspule 1OB sind solche Grenzen die Anordnung der Ablenkspulen 11 und die Forderung, den Elektronenstrahl über einen weiten Bereich abzulenken. Falls das Lesen nach dem Reflexionsprinzip ausgeführt wird» wie es bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel J der Fall ist» ist eine weitere Grenze in der Anordnung des Elektronende„tektors im Bereich über dem Speichermittel zu sehen. -

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Fokussierspulen 1OA und 1OB ähnlich oder identisch ausgebildet sein und die folgenden Abmessungen aufweisen: Bohrungsradius E = 20,6 mm {13/16 inch}» und Verhältnis von S/D s 3/13, wobei S die Spaltbreite und D der Bohrungsdurchmesser ist. Ber in Fig. 6 eingezeichnete Abstand k von der Katodennadel 51 zur Ebene 61 kann 38,1 mm (1,5 inch) betra-

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gen. Der genaue Abstand hängt im wesentlichen von der Länge der Anodenelektrode 9 ab. Der in Fig. 6 mit 1 bezeichnete· Abstand zwischen den Ebenen 61 und 63 kann 88_$9 mm (3,5 inch) "betragen.· Dieser Abstand reicht aus um die Fokussierspulen anzuordnen und ist im allgemeinen nicht kritisch. Die Spule 1OA kann bei 5 kV eine Ampdrewindungszahl NI von 455 und bei 10 kV eine Amperewindungszahl NI von 640 haben. C_ ergibt sich zu 4_S85.

Wenn der in Fig. 6 eingezeichnete Abstand ο zwischen dem Speichermittel 1 und der Ebene β 3 25,4 mm (I inch) beträgt, kann bei einer Beschleunigungsspannung von 5kV die Amporewindungszahl NI 570 betragen und bei einer B8schleunigungs~ spannung von 5 kV kann die Amperewindungszahl NI 810 betragen. C, ergibt sich zu 1,85. Damit wird ein Brennfleck mit

h _o

einem Durchmesser von 979 1 erreicht. Bei 10 kV ergibt sich

6 2 am. Brennpunkt eine Leistimgsdichte von 6,64 · 10 W/cm .

Wenn das Speichermittel von der Ebene 63 um 38,1 mm (1,5 inch) entfernt ist, kann bei 5 kV die Ampärewindungszahl NI 455 und bei 10 kV 640 betragen. C₀. ergibt sich zu 4,85. Der

Brennfleck zeigt einen Durchmesser von 1056 2. , Die Leistungsdichte ergibt sich as Brennpun&t zu 5 #69 · 10 W/c bei 5 kV und zu 1,14 · 10⁷ W/cm*¹ bei 10 kV,

Der Konvergenzwinkel des Elektronenstrahls an der Speichermitteloberfläche ist eine umgekehrte Funktion des Abstandes zwischen dem Speichernd.ttel 1 und der Ebene 63. Die Brennfleckgröße ist eine Funktion von ck und C^ und kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

d-Λ

dabei Ist d_Q die Iceale £ycnmf:lackgro£e ohne Fehler und

der Halbwinkel des korrvsrgilereödan Elektronenstrahls. Bei der Bestimmung des Atostüsiäz svis«b.eci aen Speichermlttel 1

und der Ebene 63 muß man sich widerstreitende Grenzen oder Grenzwerte berücksichtigen. Mit kleiner werdendem Abstand nimmt C: ab und d-¹ nimmt zu. Der gewählte Abstand muß demgegenüber optimiert werden und gleichzeitig die Forderung nach einem verhältnismäßig großen Überstreichungsbereich des Elektronenstrahls erfüllen.

Die obigen Abmessungen dienen der Erläuterung und sollen die Erfindung keineswegs beschränken. Andere Spulenabmessungen mit entsprechend angepaßten elektrischen Parametern können zur Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre ausgewählt wer- _a

den. . Ψ

Bei dem Schreibvorgang lenken die Modulationsspulen 12 den Elektronenstrahl längs einer einzigen Achse in der X-Y-Ebene ab. Dabei wird die zentrale Achse des Elektronenstrahls zwischen zwei Lagen hin- und hergeschaltet, von denen die eine durch den Mittelpunkt der Begrenzungsblende oder Blenden öffnung 58 führt und die andere gegenüber diesem Mittelpunkt versetzt ist, so daß im letzten Fall ein Teil des Strahls durch die mit einer zentrischen Öffnung versehenen Begrenzungselektrode 57 abgeblockt wird. In Abhängigkeit vom Modulationssignal wird der Elektronenstrahl zwischen diesen Lagen hin- und hergeschwenkt. Wenn die zen- . Jl trische Achse des Elektronenstrahls mit dem Mittelpunkt der Begrenzungsöffnung 56 zusammenfällt, herrscht im Brennfleck eine maximale Stromdichte und das Speichermaterial wird an dieser Stelle leicht entfernt. In der versetzten Lage oder Stellung v/ird die Brennfleckstromdichte um einen solchen Wert vermindert, daß das Speichermittelmaterial unbeeinträchtigt bleibt. Beim Ablenken des Strahls mittels der Ablenkspulen 11 längs der Datenzeilen wird daher die Stromdichte im Brennpunkt moduliert, um die Daten aufzuzeichnen oder zu schreiben.

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Beim Auslesen wird an die Modulationsspulen 12 eine feste Vorspannung gelegt, die den Strahl gegenüber dem Mittelpunkt der Begrenzungsöffnung versetzt, so daß der Strahl durch die Begrenzungselektrode 57 teilweise blockiert ist. Dadurch wird die Stromdichte im Brennpunkt vermindert. Mittels der Ablenkspulen 11 tastet der mit einer geringeren Stromdichte betriebene Strahl die Datenzeilen ab, um die gespeicherten Daten zerstörungsfrei zu lesen. Beim Lesevorgang wird also keine Veränderung an den gespeicherten Daten bzw. am Speichermittel vorgenommen. Abweichend davon kann man aber auch zum Lesen die Anodenspannung vermindern, um die fe Leistungsdichte des fokussierten Strahls zu verringern.

Fig. 10 ist eine schematische Teilansicht einer v/eiteren Ausführungsform eines nach der Erfindung aufgebauten Elektronnenstrahlspeichergeräts. Dabei wird ein großflächiges Speichermittel 71 benutzt, das zahlreiche Datenblöcke 72 aufweist, um die gesamte Speicherkapazität im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform um einige Größenordnungen zu erhöhen. Ein einziger Datenblock 72 entspricht der Speicherfläche des in Fig. 1 dargestellten Speichermittelmediums 1. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 stellt die gesamte Speicherfläche des Speichermittels 71 eine ebene Oberfläche von 210 * 210 mm im Quadrat dar, so daß etwa

W 44000 Datenblocks mit einer Gesamtspeicherkapazität von

12
10 Bits vorgesehen sind. Die Datenblocks sind in Spalten und Zeilen angeordnet. In Fig. 11 ist lediglich ein kleiner Ausschnitt des Speichermittels 71 mit Datenblöcken 72 gezeigt.

Die bei diesem Ausführungsbeispiel benutzte Elektronenoptik entspricht der in den Figuren 6 und 7 erläuterten Anordnung und weist ähnliche Teile auf, die mit identischen, aber mit einem Strichindex versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet ■sind. Die Elektronenemissionsanordnung 3' und die elektronenoptische Anordnung 4' sind mit den beschriebenen Anordnungen 3 bzw, 4 identisch. Die Eingangseinrichtung 13'_f die Aus-

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gangseinrichtung 17' land die Schaltanordnung 18^f können genauso aufgebaut sein -wie die entsprechenden Teile in Fig. 1. Das Lesen erfolgt vorzugsweise nach dem Reflexions-' prinzip, wie es in Fig. 5 gezeigt ist,_alt'einem'Elektronendetektor 43*, der über der Speichermitteloberfläche angeordnet ist. Bas Lesen kann aber auch nach der in Fig. 1 beschriebenen Weise vorgenommen werden» wobei ein geeigneter Elektronendetektor vorhanden sein muß, der das Speichermittel trägt.

Das Speichernd.ttel 71 ist auf einem bewegbaren Substrat 73 aufgebracht, das sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung verschoben werden kann. Das Einstellen oder Verschieben des Substrats 73 erfolgt jeweils über einen Motorantrieb 74 und 75» die außerhalb des Vakuums angeordnet sind, Die Antriebseinrichtungen 74 und 75 können Motoren herkömmlicher Bauart enthalten, die das Substrat 73 mit einer Genauigkeit von +0,025 ims (1 mil) einstellen können. Zu diesem Zweck sind Schrittschaltmotoren mit veränderlicher Reaktanz geeignet. Zum Vorschub in X-Richtung 1st der Motorantrieb 74 über eine Schubstange 76 mit dem Substrat 73 verbunden. Zum Antrieb in Y-Richtung ist der Motorantrieb 75 über eine Schubstange 77 mit dem Substrat 73 verbunden. Die flotorantriebseinrichtungen 74 und 75 können. Einrichtungen enthalten, die die Drehbewegung des Motors in eine translatorische Bewegung umwandeln. Solche Einrichtungen sind beispielsweise herkömmliche Kugelschrauben- Kugelautter-Anordnungen. Balgvorrichtungen 78 dichten die Schubstangen 76 und 77 gegenüber dem Vakuum ab und gestatten eine translatorische Bewegung der Schubstangen.

Beim Betrieb des nach der Erfindung aufgebauten Speichergeräts nach Fig. 10 stellen die Motorantriebe 74 und 75 unter der Steuerung der Schaltanordnung 18V die einzelnen Datenblöcke 72 bezüglich öes Elektronenstrahlsystems und des Elektronenstrahls genau ©in. Wenn ein ausgewählter Dates-

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_BAD

block genau positioniert ist, kann ein Schreib- oder Lesevorgang ausgeführt werden, wie es bezüglich der vorangegangenen Ausführungsform der Erfindung beschrieben ist.

Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen zur besseren Erläuterung der Erfindung. Die Ausführungsbeispiele können in mannigfacher Weise abgeändert werden, ohne die Lehre der Erfindung zu verlassen. Das beschriebene elektronenoptische System wird mit großem Vorteil in Kombination mit dem beschriebenen Elektronenemissionssystem angewendet, das eine zirkoniumbeschichtete, orientierte Wolframnadel enthält, deren Austrittsarbeit sehr gering ist und die bei einem mittelmäßigen Vakuum nicht verunreinigt wird, so daß das Elektronenemissionssystem mit einer außerordentlich hohen Emissionsdichte arbeiten kann und gleichzeitig dabei eine lange Lebensdauer aufweist. Diese" Kombination aus dem beschriebenen elektronenoptischen System und dem beschriebenen Elektronenemissionssystem erzeugt in der Zielebene oder auf der Speicheroberfläche einen fokussierten Strahlenfleck mit äußerst kleinen Abmessungen und einer außerordentlich hohen Stromdichte. Ähnliche Ergebnisse können mit dem beschriebenen elektronenoptischen System in Verbindung mit anderen Elektronenemissionssystem erzielt werden, die hinsichtlich der Emissionsdichte, Stabilität und Lebensdauer in einem mittelmäßigen Vakuum ähnliche Eigenschaften aufweisen wie das beschriebene elektronenoptische System. So sind für die Zwecke der Erfindung beispielsweise hafniumbeschichtete Wolframkatoden oder Lanthanhexaboridkatoden geeignet.

Weiterhin können als Speichermittel Materialien verwendet werden, bei denen außer oder zusätzlich zur Änderung der Stärke oder Dicke andere physikalische Eigenschaften oder Zustände durch einen Elektronenstrahl hoher Leistungsdichte geändert werden und bei denen diese Zustands- oder Eigenschaf tänderungen durch einen Lesestrahl festgestellt werden

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können. Weiterhin kann es sich auch um ein Speichermaterial handeln, das mittels, eines Elektronenstrahls wahlweise gelöscht werden kann.

Ferner soll bemerkt werden, daß das erfindungsgemäße Elektronenstrahlgerät auch für andere Zwecke als zur Speicherung von Daten verwendet werden kann, beispielsweise zur Mikrobearbeitung und Mikroätzung auf dem Gebiet der Mikroelektronik.

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Claims

Patentansprüche

Speichervorrichtung mit großer Informationsspeicherdichte, bei der ein Elektronenstrahl die Information auf ein in einer evakuierten Kammer angeordnetes Speichermittel aufzeichnet und die aufgezeichnete Information wiedergewinnt, dadurch gekennzeichnet, daß in der evakuierten Kammer (5) eine Fadenkatode (51) mit einer äußerst kleinen Emissionsoberfläche angeordnet ist, daß die ein elektrisches Feld .erzeugende Einrichtung (3) innerhalb der Kammer um die Emissionsoberfläche herum ein im wesentlichen halbkugelförmiges elektrisches Feld mit einer an der Emissionsoberfläche hinreichend hohen elektrischen Feldstärke ausbildet,sodaß ein divergierender Elektronenstrahl mit einer hohen Emissionsstromdichte entsteht, daß eine erste Fokussierlinse (10A) den divergierenden Elektronenstrahl in einen gebündelten Elektronenstrahl umsetzt, daß eine zweite Fokussierlinse (10B) den gebündelten Elektronenstrahl in einen konvergierenden Elektronenstrahl umsetzt, dessen Fokussierungspunkt auf der Oberfläche des Speichermittels (1; 71) einen äußerst kleinen Brennfleck hoher Stromdichte bildet, daß eine Ablenkeinrichtung (11) den Elektronenstrahl auf der Speichermitteloberfläche ablenkt, daß eine Modulationseinrichtung (12) zum Aufzeichnen von Information die Stromintensität des über die Speiche-rmitteloberfläche gelenkten Elektronenstrahls moduliert und daß eine in der Kammer angeordnete Leseeinrichtung (15; 43) die aufgezeichnete Information wiedergewinnt.
2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenkatode eine starr befestigte Nadel (51) aufweist, deren Spitze die Emissionsoberfläche bildet, und daß eine Einrichtung der Nadelspitze fortwährend einen dünnen Überzug aus einem Material zuführt, das die Austrittsarbeit der Emissionsoberfläche verringert.

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3. Speichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katodenemissionsoberfläche in einer Ebene liegt, in die etwa der Brennweitenpunkt der ersten Linse (61) fällt, und daß die Oberfläche des Speichermittels in einer Ebene liegt, in die etwa der Brennweitenpunkt der zweiten Linse (63) fällt, um dadurch die effektive sphärische Aberration der Linsen zu verringern.
4. Speichervorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (11) zwischen der zweiten Fokussierlinse und dem Speichermittel angeordnet ist.
5. Speichervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Fokussierlinse Jeweils eine magnetische Spule enthalten, die um den Umfang der evakuierten Xamaer gewickelt is

t.
6. Speichervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugende Einrichtung eine vor der Kato^a angeordnete durchbohrte Elektrode (57) aufweist und daß die Modulatidnseinrichtung den Elektronen- strahl derart ablenkt, daß er in Abhängigkeit von den Kodu- ™ lationen wiederholt durch die durchbohrte Elektrode unterbrochen wird, wodurch es möglieh ist, trotz veränderlicher Stromdichte an der Oberfläche des Speichermittels die Emissionsdichte konstant zu halten.
7. Speichervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leseeinrichtung einen Elektronendetektor (15; 43) aufweist, der auf Elektronen anspricht, die er von dem Speichermittel empfängt, wenn dort der mit einer geringeren Stromdichte betriebene Elektronenstrahl auftrifft.

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8. Speichervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennfleck auf der Oberfläche des Speicherinittels einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,1 /Um oder weniger hat und daß die Stromdichte in der Größenordnung

von 1000 A/cm oder höher liegt.
9. Speichervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermittel in erster Linie aus Selen besteht und daß der fokussierte Elektronenstrahl beim Schreiben oder Aufzeichnen der Information ausgewählte Teile des Selens verdampft hat.
10. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Antriebsvorrichtung (74,75) mit dem Speichermittel in Verbindung steht, so daß einzelne ausgewählte Datenblöcke unter den fokussierten Elektronenstrahl gebracht werden können.
11. Speichervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugende Einrichtung eine Gitterelektrode (8) mit einer Öffnung, durch die sich die Katodennadel erstreckt, und eine Anodenelektrode (9) enthält, die vor der Emissionsspitze angeordnet ist und eine mit der Katodennadel ausgerichtete Öffnung aufweist, durch die der zentrale Teil des emittierten Elektronenstrahls läuft.

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