DE2555744B2 - Magnetische linse - Google Patents

Description

kleinen Abiastfeldern verwendet werden können.

Erfolgt die Ablenkung des Elektronenstrahls nach seinem Durchtritt durch die wirksamen Bereiche der Projektionslinse, so werden die achsenfernen Aberrationen unterdrückt und die gesamten Ablenkaberrationen der Linse verringert, so daß große Abtastfelder möglich sind. Da bei dieser Lösung jedoch Projektionslinsen mit großen Brennweiten erforderlich sind, ergeben sich eine Reihe von Nachteilen, von denen das relativ kleine Auflösungsvermögen und die relativ großen Aberrationen im achsennahen Bereich die wichtigsten sind.

Die Nachteile der Vorrichtungen, bei denen das Ablenksystem vor oder hinter dem wirksamen Bereich der Projektionslinse angeordnet ist, werden bei einer Vorrichtung weitgehend vermieden, bei der das Ablenksystem innerhalb der Elektronenstrahlkolonne an einer Stelle angeordnet ist, die in der Nähe des Mittelpunktes der beiden Polstücke der Projektionslinse oder im Bereich der maximalen Wirkung der durch die Linse erzeugten Magnetlinien liegt Bei derartigen Vorrichtungen wird das Linsenfeld auf dem Feld des Ablenksystems überlagert, wobei ein Teil der Ablenkaberrationen des Ablenksystems durch die entsprechenden achsenfernen Aberrationen der Linse kompensiert wird.

In allen drei Fällen liegt jedoch das Ablenksystem in der Nähe der Polstücke der Linse, so daß eine Einwirkung auf die leitenden Polstücke und die Entstehung von Verzerrungen verursachenden Wirbelströmen nicht vermieden werden kann.

Darüber hinaus ist es bei der Unterbringung des Ablenksystems zwischen den PolstÜL-ken der Linse erforderlich, Linsen mit großen Polstückplatten zu verwenden, bei denen normalerweise ein durch die Unsymmetrie der Linsenwicklungen bedingter Astigmatismus auftritt.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine magnetische Linse der eingangs genannten Art anzugeben, die einen breiten Polstückspalt und eine große Brennweite bei gleichzeitig kleinem statischen Astigmatismus aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebener Merkmale gelöst.

Die gemäß der Erfindung einen aus magnetischen Ringen und nichtmagnetischen Ringen bestehenden Hohlzylinder enthaltende magnetische Linse hat gegenüber den bisher bekannten Linsen den Vorteil, daß Einflüsse der Asymmetrie der Linsenwicklung vermieden bzw. weitgehend herabgesetzt werden, was eine wesentliche Verringerung des Linsenastigmatismus zur Folge hat. Bei Verwendung elektrisch nichtleitender Materialien für die obengenannten Ringe und die Polslücke wird die Beeinflussung benachbarter elektrisch leitender Elemente infolge der Erzeugung von Wirbelströmen durch das Feld des Ablenksystems vermieden. Da die als Polstäcke wirkenden magnetischen Ringe des Zylinders über die ganze Länge der Linsenwicklung verteilt sind, liegen die Verhältnisse für die Unterbringung eines Ablenksystems in diesem Bereich besonders günstig. Demgemäß ist bei einer Weiterbildung der Erfindung das Ablenksystem im inneren Hohlraum des Hohlzylinders angeordnet.

Der Hohlzylinder wirkt weiterhin als Abschirmung gegen jede Beeinflussung des Elektronenstrahls durch Asymmetrien der Linsenwicklung. Gleichzeitig stellt der Hohlzylinder einen wirkungsvollen Fluß-Spalt dar, der ein gleichmäßiges, parallel zur optischen Achse verlaufendes und sich über die gewünschte Arbeitsentfernung der Linse erstreckendes Feld erzeugt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die perspektivische Darstellung des längs seiner optischen Achse geschnittenen Ausführungsheispiels der Erfindung,

Fig.2 einen Teil eines Schnittes entlang der Linien 2-2derFig. I.

ίο Die in Fig. 1 dargestellte Projektionslinse 12 mit Ablenksystem 14 wird im Zusammenhang mit einer Elektronenstrahlkolonne verwendet, die aus mehreren Stufen, beispielsweise aus einer Elektronenstrahlquelle, einer Kondensorlinse, Ausrichtstufen, Verkleinerungslinsenstufen und einer Targetstufe besteht. Die in dieser Figur dargestellte Projektionslinse 12 mit Ablenksystem 14 dienen zur Fokussierung des Elektronenstrahls 16 auf ein Target 18 und ermöglichen dessen Ablenkung. Die Brennweite der Linse 12 ist relativ lang, mindestens aber etwa 25 mm.

Der magnetische Kreis der Pro.ektionsünse enthält einen äußeren Zylinder 21, der aus einem magnetischen Material besteht und an dessen Enden obere und untere Platten 24 bzw. 25 befestigt sind. Die Platte 24 besteht av.y magnetischem Material und ist kreisförmig ausgebildet, so daß sie mit dem äußeren Umfang des Zylinders 21 übereinstimmt. In der Mitte der Platte 24 befindet sich eine kreisförmige öffnung 26 für den Elektronenstrahl. Eine entsprechende, mit der öffnung 26

jo ausgerichtete Öffnung 27 befindet sich in der Platte 25.

Die untere Fläche der Platte 24 und die obere Fläche der Platte 25 weisen Ausnehmungen 28 und 29 auf, die konzentrisch mit den öffnungen 26 und 27 angeordnet sind und zur Aufnahme der gegenüberliegenden Enden

Ji eines als Abschirmung dienenden Hohlzylinders 30 dienen, der seinerseits einen zentralen Hohlraum 31 aufweist, durch die der Elektronenstrahl durchtreten und in der das Ablenksystem 14 untei gebracht werden kann. Der Hohlzylinder besteht aus einer Vielzahl von mit höchster Präzision hergestellten magnetischen Ringen 32 die konzentrisch mit ebenso exakt hergestellten nichtmagnetischen Ringen 34 gestapelt sind. Die Ringe 32 und 34 haben die gleiche Form und sind in abwechselnder Folge angeordnet. An beiden Enden des Hohlzylinders 30 sind magnetische die oberen und unteren Polstücke der Linse bildende magnetische Ringe 36 und 37 angeordnet, deren äußerer Umfang mit dem äußeren Umfang der Ringe 32 und 34 übereinstimmt während der innere Rand dieser Ringe mit dem inneren Rand der Öffnungen 26 bzw. 27 übereinstimmt. Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Länge des Hohlzylinders 30 und die Durchmesser der Ringe 36 und V so bemessen, daß ein genauer Sitz zwischen den beiden Enden des Hohlzylinders 30 und der oberen und unteren Fläci.e der Platten 24 bzw. 25 sichergestellt wird. Dadurch wird in axialer Richtung auf den Hohlzylinder 30 ein Druck ausgeübt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden die Ringe 32, 34 durch Schrauben 41 miteinander verbunden und gegeneinander gedruckt. Außer durch die Schrauben 41 wird der aus magnetischen und nichtr.iagnetischen Ringen bestehende Stapel mit Hilfe eines gehärteten Bindungsmittels, beispielsweise durch eine Epoxidharz Schicht 44 zusammengehalten, die am äußeren Umfang des Zylinders 30 angeordnet ist.

Die Teile 21, 24 und 25 bilden gemeinsam mit dem Hohlzylinder 30 einen magnetischen Kreis für die Projektionslinse. Der wirksame Fluß-Spalt des magneti-

sehen Kreises wird durch die axialen Abmessungen der nichtmagnetischen Ringe 34 gebildet. Es ist daher bei der Herstellung des Hohlzylinders 30 von größter Wichtigkeit, die vorgeschriebenen Abmessungen der einzelnen magnetischen und nichtmagnetischen Ringe ^r> genauestens einzuhalten. Es hat sich als erforderlich erwiesen, die einzelnen Ringe mit einer Genauigkeit von 0,5 um zu fertigen und die einzelnen Ringe, ehe sie zu einer Einheit zusammengefaßt werden, innerhalb des Stapels zu drehen um die Gesamtabweichungen i" möglichst gering zu halten. Es hat sich gezeigt, daß durch Drehung der einzelnen Ringe die Gesamt.ibwcichungcn der Abmessungen des Spaltes an einer Seite des llohlzylinders in bezug auf die andere Seite des Hohl/ylindcrs in die Größenordnung von I μιτι oder r> weniger gebracht werden können.

Die Epoxydharz-Schicht 44 besteht aus einem geeigneten Epoxydharz mit harter Oberfläche, das im trockenen Zustand die Wirkung der Schrauben 41 unterstützt und die Ringe 32. 34 zusätzlich zusammenhält. Erforderlichenfalls kann die endgültige Bearbeitung der inneren (lachen der Ringe 32, 34 nach Anbringung der Epoxydharz-Schicht 44 und vor der Befestigung der oberen und unteren Ringe 3b und 37 erfolgen. 2Ί

Die magnetischen Ringe 32 können aus einem elektrisch nichtleitenden Ferritmaterial und die nichtmagnetischen Ringe 34 aus einem geeigneten elektrisch nichtleitenden keramischen Material, beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen. Die Verwendung von elektrisch nichtleitenden Materialien, beispielsweise von Ferriten. erbringt Vorteile die im folgenden noch erläutert werden. Es ist aber auch möglich, die Ringe 32 aus einem Stahl mi; geringer Permiabilität herzustellen, obwohl derartige Materialien nicht besonders vorteil- i"> haft sind. In ähnlicher Weise können die Ringe 34 aus anderen nichtmagnetischen Materialien bestehen.

Die Linse 12 enthält weiterhin eine Spule 50. die in bekannter Weise aus Wicklungen 52 besteht. Es ist besonders wichtig, daß die Wicklungen 52 der Spule 50 4ο so symmetrisch wie möglich angeordnet werden, um Asymmetrien des durch die erregten Wicklungen erzeugten Feldes herabzusetzen. Die Wicklungen 52 sind mit geeigneten, nicht dargestellten Anschlüssen zur Verbindung mit einer Erregerquelle versehen. <ϊ

Das Ablenksystem 14 besteht aus einem zylinderförmigen Kern 60 auf dem Wicklungen 63 angeordnet sind, um die gewünschten Radialfelder zur X- und V-Ablenkung des Elektronenstrahls zu erzeugen. Die Wicklungen 63 werden ebenfalls durch eine nicht dargestellte v> Quelle zur Ablenkung des Elektronenstrahls erregt. Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich zur Abtastung eines etwa 5 mm breiten Halbleitcrplättchens mit 20 000 Linien. Demgemäß ist eine Brennweite der Projektionslinsc in der Größenordnung von 12 cm erforderlich. Derartige Brennweiten können in einfacher Weise mit Elektroncnslrahlkolonncn erzielt werden, bei denen das Ablenksystem in der in Fig. I dargestellten Weise angeordnet ist. Der im Ausführungsbeispiel verwendete Hohlzylinder 30 weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die magnetischen Ringe 36 und 37 wirken als Polstüeke des Magnetkreises der Linse während die magnetischen Distanzstiicke 32 im Zusammenhang mit den Ringen 36 und 37 die Linsenwicklung wirkungsvoll abschirmen um Asymmetrien der Rotationssymmctric des durch die Linsenwicklung erzeugten magnetischen leides herabzusetzen, wodurch gleichzeitig der Astigmatismus weit unter den bei Linsen mit vergleichbarer Brennweite üblichen Wert herabgesetzt wird. Auf diese Weise nimmt jpr|i;r (W magnetischen Ringe ein annähernd gleichmäßiges magnetisches Potential an und schirmt den Bereich des Strahles gegen Rotationsasymmelricn des Wicklungsfeldcs ab. Gleichzeitig wird aber das axiale Feld zwischen der unteren und der oberen Polstückplatle des magnetischen Kreises übertragen.

Eine weitere wichtige Aufgabe des Hohlzylinders 30 besieht darin, die sich in entgegengesetzten radialen Richtungen erstreckenden magnetischen Felder des Ablenksystems abzuschirmen. Das hat zur Folge, daß die Feldverteilung des Ablenksystems sich auf den Bereich innerhalb des Hohlraums 3t beschränkt, so daß eine Beeinflussung leitender Bereiche des magnetischen Kreises verhindert wird. Auf diese Weise werden Wirbelströme vermieden, die sonst bei einer Durchdringung von leitendem Material des magnetischen Kreises durch Feldlinien entstehen würden. Derartige Wirbelströme sind deshalb schädlich, da sie dem ursprünglichen vom Ablenksystemfeld erzeugten Feldern entgegengesetzte magnetische Felder erzeugen, und dadurch zu unerwünschten Ablenkaberrationen führen. Diese Art dynamischer gegenseitiger Beeinflussung war bisher ein grundlegendes Hindernis bei der Herstellung von sondenbildenden Elektronenstrahlabtastsystemen.

Die Verwendung von Formmaterial zur Herstellung der Polstüeke ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft, da es sich um ein elektrisch nichtleitendes magnetisches Material handelt. Es wurde bewiesen, daß die Verwendung von Ferritmaterialien eine Herabsetzung der durch Wirbelströme verursachten Wirkungen um mehr als zwei Größenordnungen zur Folge hat. ohne daß ein zusätzlicher Astigmatismus oder rr ßbare Hysteresiseffekte durch dieses Material verursacht wurden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Magnetische Linse für eine Elektronenstrahlvorrichtung mit einer Abschirmung gegen ein im Inneren der Linse angeordnetes Ablenksystem und mit einem geschlossenen magnetischen Kreis, der in Strahlrichtung gesehen obere und untere, aus magnetischem Material bestehende, einen den Elektronenstrahl beeinflussenden Flußspalt definierende Polstücke enthält, gekennzeichnet durch einen die oberen und unteren Polstücke (36, 37) verbindenden, den Elektronenstrahl (16) umgreifenden Hohlzylinder (30) der aus abwechselnd aus magnetischem und aus nichtmagnetischem Material bestehenden Ringen (32, 34) derart aufgebaut ist, daß die im Verlauf des magnetischen Kreises liegenden, aus nichtmagnetischem Material bestehenden Ringe (34) Flußspalte bilden.

2. Magnetische Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Zylinder (30) verbundenen Polstücke (36, 37) und die diesen Zylinder bildenden Ringe (32, 34) aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen.

3. Magnetische Linse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Polstücke (36, 37) Öffnungen (26, 27) aufweisen, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des aus magnetischen und nichtmagnetischen Ringen aufgebauten Hohlzylinders (30).

4. Magnetische Linse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn7.eichne' daß die aus magnetischen und nichtmagnetischen Material bestehenden Ringe (32, 34) gleiche Dicksn anweisen und mit Toleranzen von weniger als 25 μπι, vorzugsweise weniger als 0,5 μιη, bearbeitet sind.

5. Magnetische Linse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Außenfläche des Hohlzylinders (30) umgebende und die einzelnen Ringe zusammenhaltende Schicht (44) aus Epoxydharz.

6. Magnetische Linse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (52) der Linsenspule (50) den Hohlzylinder (30) umgibt.

7. Magnetische Linse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen den Hohlzylinder (30) und die Linsenspule (50) umgebenden Zylinder (21) aus magnetischem Material, der durch untere und obere, runde Mittelöffnungen aufweisende kreisförmige Platten (25, 24) mit den Polstückcn (36, 37) verbunden ist.

8. Magnetische Linse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem (4) im inneren Hohlraum (31) des Hohlzylinders (30) angeordnet ist.

9. Magnetische Linse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Ringe (32) aus keramischen Ferritmaterial bestehen.

10. Magnetische Linse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmagnetischen Ringe (34) aus Aluminiumoxid bestehen.

Die Erfindung betrifft eine magnetische Linse für eine Elektronenstrahlvorrichtung mit einer Abschirmung gegen ein im Inneren der Linsenspule angeordnetes Ablenksystem und mit einem geschlossenen magnetisehen Kreis, der in Strahlrichlung gesehen obere und untere, aus magnetischem Material bestehende, einen den Elektronenstrahl beeinflussenden Fluß-Spalt definierende Polsfücke enthält.
Auf vielen Gebieten der Technik werden Vorrichtungen zur Erzeugung eines steuerbar ablenkbaren Elektronenstrahls benötigt, beispielsweise um ein zu untersuchendes Objekt punkt- und zeilenweise abzutasten oder um sirihlungsempfindliche Schichten mit einem vorgegebenen Strahlungsmuster zu beaufschlagen. Insbesondere bei der Herstellung von integrierten Schaltungen werden sog. Elektronenstrahlkolonnen verwendet, bei denen eine Abtastung mit hoher Auflösung, beispielsweise mit 20 000 Linien innerhalb eines Feldes von 5x5 mm möglich ist und wobei die verwendete magnetische Linse eine Brennweite von mindestens 25 mm aufweist.

Die bekannten Elektronenstrahlkolonnen bestehen aus einer Elektronenstrahlquelle, einer Kondensorlinse, Ausrichtstufen, Verkleinerungslinsenstufen, einer Projektionslinse, einer Ablenkvorrichtung und einer Targestufe. Als Projiktionslinse oder Objektivlinse wird im allgemeinen eine magnetische Linse verwendet, die aus magnetischen Polstücken und Felderzeugenden Spulen besteht, durch die ein Elektronenstrahl auf ein Target fokussiert uird. Das innerhalb der Linse erzeugte magnetische Feld fokussiert die Elektronen des Elektronenstrahls in ähnlicher Weise wie eine beispielsweise aus Glas bestehende Linse eines lichtoptischeii Systems einen Lichtstrahl fokussiert. Eine derartige, für

α diese Zwecke verwenbare magnetische Linse wird beispielsweise in der US-Patentschrift 36 59 097 beschrieben. Eine Elektronenstrahlkolonne zur Erzeugung von Strahlungsmustern sui Halbleiterplältchen wird beispielsweise in der US-Paieiitschrift 36 44 700 be-

■to schrieben.

Bei der in der zuletzt genannten Patentschrift beschriebenen Vorrichtung ist das Ablenksystem in der Nähe der Projektionslinse angeordnet, um den Elektronenstrahl in der erforderlichen Weise zeilenweise über das Target zu bewegen. Bei anderen bekannten Elektronenstrahlkolonnen ist das Ablenksystem oder die Ablenksysteme vor oder hinter der le'.ztcn Projektionslinse angeordnet. In neuerer Zeit wurden auch Vorrichtungen beschrieben, bei denen das Ablenksystem innerhalb der Spule der magnetischen Linse angeordnet ist, wie bei der aus der US-PS 38 01 792 bekannten magnetischen Linse der eingangs genannten Art.

Bei allen bekannten derartigen Vorrichtungen hat es sich gezeigt, daß die Linse in Abhängigkeit von ihrer Relativlage in bezug auf das Ablenksystem bestimmte Aberrationen und Abbildungsfehler aufweist. Erfolgt die Ablenkung beispielsweise vor dem Durchtritt des Elektronenstrahls durch den wirksamen Bereich der

«λ Projektionsünse, _So können Vorrichtungen verwende! werden, deren Projektionslinsen relativ kurze Brennweiten haben. Dadurch werden die achsennahen Aberrationen der Linse herabgesetzt und ein hohes Auflösungsvermögen erzielt. Ein Nachteil dieser Vorrichtungen besteht darin, daß bei größer werdenden Abtastfeldern die Ablenkwinkel und damit die Ablenkaberrationen rasch anwachsen, so daß derartige Vorrichtungen nur im Zusammenhang mit relativ