DE2752598A1 - Schnelle elektronenoptische linse - Google Patents
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Description
Dr.-Ing. Rudolf Hell GmbH Kiel, 17. November
Grenzstr. 1-5 Lf/Hl
2300 Kiel 14
Patentanmeldung Nr. 77/467
Kennwort: "Dynamische Fokusspule"
Kennwort: "Dynamische Fokusspule"
Zahlreiche Elektronenstrahlgeräte benutzen zu technischem und zu wissenschaftlichem Zweck Elektronensonden kleinen Durchmessers;
so z.B. Kathodenstrahlröhren für Fernsehzwecke oder sonstige Aufzeichnungszwecke, Elektronenmikroskope und Materialbearbeitungsgeräte
.
Um den von der Kathode emittierten Elektronenstrahl fokussieren zu können, sind teilweise komplizierte elektronenoptische
Linsen und Blendensysteme vorgesehen. Es gibt Anwendungsfälle, bei denen nach Auslenkung des Elektronenstrahls der Fokus
nachgeregelt werden muß, z.B. bei Kathodenstrahlröhren, oder Fälle in der Materialbearbeitung, in denen bei stillstehendem
oder abgelenktem Elektronenstrahl der Fokus gezielt verändert wird, um einen gewünschten Bearbeitungseffekt hervorzurufen.
Um diese Fokusveränderung durchführen zu können, ist oft zusätzlich
zur Hauptlinse, auch statische Linse genannt, eine weitere Fokuslinse, die auch dynamische Fokuslinse genannt wird, vorgesehen,
wobei die statische Hauptlinse die Hauptfokussierung vornimmt und wobei über die Zusatzlinse dynamisch die Nachregelung
bzw. Steuerung der Fokuslage erfolgt. Diese Linsen sind in der Regel als Magnetspulen ausgebildet.
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In bisher bekannten Elektronenstrahlgeräten, die zur dynamischen Fokussierung des Strahls eine Zusatzlinse benutzen, wird üblicherweise
die Zusatzlinse zwischen dem Strahlerzeugersystem und der Hauptlinse angeordnet. Es hat sich gezeigt, daß es bei der
Elektronenstrahl-Materialbearbeitung Anwendungen gibt, wo der Fokus um einen bestimmten Betrag in sehr kurzer Zeit umgesteuert
werden muß. Selbstverständlich tritt dieses Problem auch bei Aufzeichnungsgeräten, die sich des Elektronenstrahls bedienen,
auf, wo eine hohe Bildfrequenz angestrebt wird und der Elektronenstrahl deshalb schnell abgelenkt und demzufolge schnell nachfokussiert
werden muß. Um die zu einer bestimmten Änderung der Fokuslage notwendige schnelle Änderung des Magnetfeldes zu
erreichen, sind in der Regel sehr große Ansteuerleistungen für die dynamische Zusatzspule notwendig. Bei der Materialbearbeitung
gibt es Fälle, in denen^der Fokus des Elektronenstrahls in so
kurzer Zeit umgesteuert werden muß, daß eine. Ansteuerleistung für
die Fokusspule von 1 kW und mehr erforderlich ist. Da die Beherrschung solcher Steuerleistungen, d.h. die erforderliche schnelle Änderung
der magnetischen Induktion innerhalb der Spule, Schwierigkeiten bereitet, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine verbesserte dynamische Fokusspule für ein Elektronenstrahlgerät anzugeben, die mit einer wesentlich geringeren Steuerleistung
auskommt.
Die Erfindung erreicht dies durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte Weiterbildingen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
2 bis 13 angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung und der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer bekannten dynamischen Fokussierungsanordnung,
Fig. 2 eine verbesserte Anordnung von dynamischer und statischer Fokusspule,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der magnetischen Induktion auf der Spulenachse.
In Fig. 1 ist nur der für die Fokussierung benötigte Teil des Elektronenstrahlgangs schematisch dargestellt. Der Elektronenstrahl
J durchläuft, bevor er auf das Werkstück W trifft, eine elektromagnetische Linsenanordnung L., die als statische Fokusspule
bezeichnet wird. Der Strahl wird durch diese elektronenoptische Sammellinse auf einen Brennpunkt F fokussiert. Unterhalb
der statischen Fokuslinse L1 ist schematisch der Verlauf des
Magnetfeldes B1 auf der optischen Achse dargestellt. Um eine
Verschiebung des Fokus1 in die gestrichelte Lage F1 zu bewirken,
wird üblicherweise vor der statischen Linse eine dynamische Linse L~
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angeordnet, mit deren Hilfe der Strahl mehr oder weniger stark aufgefächert oder gebündelt wird. Unterhalb der dynamischen
Linse L2 ist der Achsverlauf des Magnetfeldes B dargestellt.
Die elektronenoptische Brechkraft der gesamten Anordnung ist abhängig von der Summe der Quadrate der magnetischen Induktionen
2 2 2 .
wobei die Gesamtverschiebung Δ ζ nur von der Änderung von B2
abhängig ist.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße
Anordnung von statischer und dynamischer Fokusspule, wobei die dynamische Fokusspule im Inneren der statischen Fokusspule angeordnet
ist. Die dynamische Fokusspule besteht in für magnetische Konzentrierspulen bekannter Weise aus der zum Elektronenstrahl J
konzentrischen Wicklung 2. Zur Abschirmung und Entkoppelung des zeitlich veränderlichen Feldes der dynamischen Fokusspule gegenüber
der umgebenden statischen Linse dient ein magnetisch hochpermeabler Abschirmkreis 3, der im Falle sehr schneller Umfokussierungsprozesse
vorzugsweise aus Hochfrequenz-Ferritmaterial gefertigt sein kann.
Die Abschirmung wird vorzugsweise als Ringkörper aus hochpermeablem
Hochfrequenz-Ferrit hergestellt. Der Abschirmkörper selbst kann mit der Spule vergossen oder verklebt werden, wobei zur
Ableitung von vagabundierenden Elektronen in der dem Vakuum
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zugewandten Oberfläche der Vergußmasse eine gewisse elektrische Leitfähigkeit durch Beigabe von elektrisch leitendem Material
erzeugt wird. Günstige Werte für die elektrische Leitfähigkeit
2 liegen zwischen 1 kOhm und 1 MOhm pro cm .
Fig. 3a zeigt schematisch die magnetische Induktion auf der Achse, wenn allein die statische Linse L1 erregt wird. Die
Einsattelung der Induktion wird durch den Abschirmkreis (Fig. 2, Ziffer 3) hervorgerufen.
Fig. 3b zeigt die magnetische Induktion, die allein von der dynamischen Spule hervorgerufen wird, wenn sie von einem bestimmten
konstanten Strom durchflossen wird.
In der Fig. 3c ist eine Überlagerung von Feldern der statischen und dynamischen Linse dargestellt. Wie leicht einzusehen ist,
superponieren die beiden Magnetfelder, die durch die dynamische und die statische Fokusspule erzeugt werden, linear. Die
elektronenoptische Brechkraft dieser Anordnung ist abhängig von der Quadratsumme der einzelnen magnetischen Induktionen:
B2 = (B1 2 + B2 2) = B1 2 + 2
Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist die Gesamtverschiebung
der Fokuslage A Z nicht mehr allein abhängig von der Änderung
2
von B- , sondern es kommt zusätzlich das Produkt 2 B1B2 als
von B- , sondern es kommt zusätzlich das Produkt 2 B1B2 als
Einflußgröße hinzu. Dies bedeutet, daß das bereits vorhandene
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Feld der Linse L1 die Wirkung des dynamischen Feldes der Linse L9
multiplikativ vervielfacht.
Im folgenden wird ein Zahlenbeispiel, bezogen auf einen praktischen
Anwendungsfall, gegeben. Eine magnetische Linse entwerfe in einem Abstand von 100 mm von ihrer Mitte das reelle, verkleinerte Bild
einer 1000 mm entfernten Elektronenquelle. Zur Erzielung eines bestimmten Bearbeitungseffektes soll der Fokus um Z = 5 mm
verändert werden. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, daß eine statische Hauptlinse auf den die magnetische Induktion kennzeichnenden
Wert von 160 relativen Einheiten erregt wird. Zur Erzielung der genannten schnellen Umfokussierung muß in einer außerhalb der
statischen Linse nach Fig. 1 angeordneten dynamischen Fokuslinse eine relative Änderung der Induktion um 22 Einheiten erfolgen. Die
Summe der beiden Quadrate ist nach Gleichung (1) dann:
B2 '.*, 3044 4» 16O2 + 222
In der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2 ist eine wesentlich
geringere Änderung der Erregung der dynamischen Linse nötig. Wieder sei die Hauptlinse auf den die magnetische Induktion kennzeichnenden
Wert von 160 Einheiten erregt. Durch die Erfindung ist zur schnellen Umsteuerung des Fokus1 nur noch eine Änderung von B_ = 1,5 Einheiten
notwendig. Im Beispiel ergibt sich
B2 <** 3044 <** 16O2 + 2-160· 1,5 + 1,52.
Die elektrischen Leistungen, die zur Ansteuerung der dynamischen Linse notwendig sind, verhalten sich:
2 2
neu 2 neu '
neu 2 neu '
— Ä —
N .. B- 222 200 alt 2 alt
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Die Erfindung nutzt die zusätzliche Einflußgröße des "doppelten Produkts" aus, die bei der räumlich getrennten Anordnung von
Hauptfeld und Zusatzfeld nicht auftritt. Wie die Zahlenbeispiele zeigen, benötigt man eine wesentlich geringere Steuerleistung,
um die gewünschte Verschiebung des Fokus1 zu erreichen.
Es hat sich bei dieser Anordnung von dynamischer und statischer Fokusspule gezeigt, daß die gegenseitige Beeinflussung der
Felder gering ist, so daß Wirbelstrom- und Induktionsverluste kaum auftreten. Insbesondere hat sich gezeigt, daß die Güte
der Linse, d.h. der öffnungsfehler (sphärische Aberration) der
Hauptlinse durch diese Anordnung der dynamischen Linse nicht vergrößert wird. Bisher war man der Ansicht, daß ein Einbringen
eines magnetisch hochpermeablen Abschirmkreises das ursprüngliche Linsenfeld negativ beeinflußt, indem die sphärische Aberration
zunimmt. Nach der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben aber gezeigt, daß der Öffnungsfehler der Hauptlinse nicht vergrößert
wird.
Ein bevorzugter Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung liegt
in der Materialbearbeitung und insbesondere in der Herstellung von gerasterten Tiefdruckformen mittels Elektronenstrahlgravur.
Bei der Elektronenstrahlgravur ist es erforderlich, die Fokuslage tonwertabhängig umzusteuern, um flächenvariable Näpfchen
zu erhalten. Die prinzipielle Anordnung zur Durchführung der Elektronenstrahlgravur ist bereits seit längerem Stand der
Technik und z.B. in der DT-AS 11 23 561 beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich aber nicht auf das Gebiet der Elektronenstrahlgravur, sondern kann im ganzen Bereich
der Materialbearbeitung oder auch bei Kathodenstrahlröhren oder Elektronenmikroskopen verwendet werden, um, falls es erforderlich
ist, bei geringem Raumbedarf und geringer Steuerleistung die Fokuslage schnell zu ändern oder nachzusteuern.
Die für die Ansteuerung der Linsen erforderlichen Steuerschaltungen
sind allgemeiner Stand der Technik und werden, wie der ebenfalls bekannte Gesamtaufbau der Elektronenstrahlmaschine, im einzelnen
nicht näher dargestellt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Ringspulen als Fokuslinsen,
sondern es können auch Multipol-Linsen verwendet werden. Im einfachsten Falle kann eine Kombination aus zwei Quadrupol-Linsen
verwendet werden, welche hintereinander angeordnet sind.
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e e r s e ι t e
Claims (13)
- Patentansprüche,- 1 . Elektronen-optische Linsenanordnung mit einem statischen und einem dynamischen Fokus-Linsensystem, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Fokus-Linsensystem im Inneren des statischen Fokus-Linsensystems angeordnet ist.
- 2. Elektronen-optische Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Fokus-Linsensystem im zentralen Bereich des statischen Fokus-Linsensystems angeordnet ist.
- 3. Linsenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Fokus-Linsensystem in der Mitte des statischen Fokus-Linsensystems angeordnet ist.
- 4. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Linsensystem eine Ringspule ist.
- 5. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Linsensystem in Form von zwei oder mehreren Multipol-Linsen ausgebildet ist.
- 6. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Abschirmung zwischen dynamischem und statischem Linsenfeld.
- 7. Linsenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus einem hochpermeablen Werkstoff besteht.
- 8. Linsenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff ein Hochfrequenz-Ferrit verwendet wird.
- 9. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung ein Ringkörper ist, der die dynamische Linsenanordnung umgibt.
- 10. Linsenanordnung nach Anspruch 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper U-förmigen Querschnitt und in seinem Innern die Spule aufweist.
- 11. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung mit dem Spulensystem verklebt ist.
- 12. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung mit dem Spulensystem vergossen ist.
- 13. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet/ daß eine elektrisch leitende (hochohmige) Vergußmasse verwendet wird.9098??/nU8
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