DE2752598A1

DE2752598A1 - Schnelle elektronenoptische linse

Info

Publication number: DE2752598A1
Application number: DE19772752598
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Phy Beisswenger
Original assignee: Dr Ing Rudolf Hell GmbH
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1977-11-25
Publication date: 1979-05-31
Also published as: CH635464A5; FR2410356A1; US4245159A; CA1100564A; GB2012476A; JPS6124782B2; NL182996C; DE2752598B2; BE871109A; FR2410356B1; DE2752598C3; GB2012476B; JPS5476058A; NL7811418A; NL182996B

Description

Dr.-Ing. Rudolf Hell GmbH Kiel, 17. November

Grenzstr. 1-5 Lf/Hl

2300 Kiel 14

Patentanmeldung Nr. 77/467
Kennwort: "Dynamische Fokusspule"

Schnelle elektronenoptische Linse

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

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 '

— 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

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.

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