DE2752598B2

DE2752598B2 - Dynamische Fokusspule

Info

Publication number: DE2752598B2
Application number: DE2752598A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Phys. Dr. 2308 Preetz Beisswenger
Original assignee: Dr.-Ing. Rudolf Hell Gmbh, 2300 Kiel
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1977-11-25
Publication date: 1981-01-29
Also published as: JPS5476058A; GB2012476A; NL182996C; NL182996B; DE2752598C3; CH635464A5; DE2752598A1; CA1100564A; US4245159A; BE871109A; GB2012476B; FR2410356B1; JPS6124782B2; NL7811418A; FR2410356A1

Description

Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetischen foKussierenden elektronen-optischen Linsenanordnung und Linsenanordnung hierfür.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetischen fokussierenden elektronenoptischen Linsenanordnung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Zahlreiche Elektronenstrahlgerüte benutzen zu technischem und zu wissenschaftlichem Zweck Elektronensunden kleinen Durchmessers; so z. B. Kathodenstiahlröhren 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

bi Fokus gezielt verändert wird, um einen gewünschten Bearbeitungseffekt hervorzurufen.

Um diese Fokusveränderung durchführen zu können, ist bereits in der US-PS 40 28 523 eine Linsenanordnung angegeben worden, bei der zusätzlich zur Hauptlinse, die auch statische Linse genannt wird, eine weitere Fokuslinse, die auch dynamische Fokuslinse genannt wird, vorgesehen ist, 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 Die dynamische Fokussierung des Strahls erfolgt bei dieser US-PS durch die Zusatzlinse, die zwischen dem Strahlerzeugungssystem und der Hauptlinse angeordnet ist 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 Zusatz3pu!e notwendig. Bei der Materialbearbeitung gibt es Fälle, in denen der Fokus des Elektronenstrahls in so kurzer Zeit umgesteuert werden muß, daß eine Ansteuerleitung für die Fokusspule von 1 kW und mehr erforderlich ist.

Es ist bereits in der DE-AS 12 60 048 ein Elektronen-Strahlgerät mit elektromagnetischen Linsen bekannt, bei dem eine fokussierende magnetische Linse im Innern einer größeren fokussierenden magnetischen Linse angeordnet ist. Bei dieser DE-AS 12 60 048 ist die größere Linse die Objektivlinse und die in ihrem Innern angeordnete Linse die Kondensorünse eines Elektronenmikroskops. Dieser DE-AS ist daher keine Anregung zu entnehmen, eine solche Linsenanordnung als statische und dynamische Fokuslinse zu betreiben. Auch ist nicht erkannt worden, daß eine solche Linsenanordnung für die Verringerung der Ansteuerleistung für eine dynamische Fokusnachsteuerung geeignet sein könnte.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetischen fokussierenden elektronen-optischen Linsenanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine schnelle Änderung der magnetischen induktion innerhalb der Linsenanordnung möglich ist und wobei die hierzu erforderliche Steuerleistung erheblich reduziert wird.

Die Erfindung erreicht dies durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale.

Der hierdurch erzielte technische Fortschritt besteht im wesentlichen darin, daß man für die Änderung des Induktionsflusses, der für eine schnelle Fokusnachsteuerung erforderlich ist, mit wesentlich geringerer Steuerleistung auskommt, da die Felder der inneren und äußeren Linse sich nicht nur addieren, sondern eine multiplikative Verknüpfung vorliegt.

Gegenüber der US-PS 40 28 523 besteht ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die gesamte Anordnung wesentliche kleiner, d. h. raumsparender gebaut werden kann, da im Verlauf der Strahlführung der ansonsten von der dynamischen Fokuslinse beanspruchte Raum anderweitig ausgenutzt werden kann.

Vorteilhafte Linsenanordnungen für das Verfahren nach dem Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Beschreibung und der F i g. 1 bis 3 näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer beaknnten dynamischen Fokussierungsanordnung,

F i g. 2 eine verbesserte Anordnung von dynamischer und statischer Fokusspule,

Fig.3 eine schematische Darstellung der magnetischen Induktion auf der Spulenachse.

In F i g. 1 ist nur der für die Fokussierung benötigte Teil des Elektronenstrahlgangs schematisch dargestellt Der Elektronenstrahl J durchläuft, bevor er auf das Werkstück IV trifft, eine elektromagnetische Linse L_u die als statische Fokusspule bezeichnet wird. Der Strahl wird durch diese elektronen-optische Sammellinse auf einen Brennpunkt Ffokussiert. Unterhalb d-r statischen Fokuslinse L\ ist schematisch der Verlauf des Magnetfeldes B₁ auf der optischen Achse dargestellt. Um eine Verschiebung des Fokus in die gestrichelte Lage F' zu bewirken, wird üblicherweise vor der statischen Linse eine dynamische Linse Lj angeordnet, mit deren Hilfe der Strahl mehr oder weniger stark aufgefächert oder gebündelt wird. Unterhalb der dynamischen Linse L₂ ist der Achsverlauf des Magnetfeldes B₂ dargesk 'It. Die elektronenoptische Brechkraft der gesamten Anordnung ist abhängig von der Summe der Quadrate der magnetischen Induktionen

B² = Bi + Bl (I)

wobei die Gesamtverschiebung ZlZ nur von der Änderung von B2² abhängig ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung von statischer und dynamischer Fokusspule gemäß dem Ausiührungsbeispiel der Erfindung, wobei die dynamische Fokusspule im Inneren der statischen Fokusspule angeordnet ist. Die dynamische Fokusspule besteht in für magnetische Sammelspulen bekannter Weise aus der zum Elektronenstrahl J konzentrischen Wicklung 2. Zur Abschirmung und Entkopplung 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 Hochf?equenz-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 zugewandten Oberfläche der Vergußmasse eine gewisse elektrische Leitfähigkeit durch Beigabe von elektrisch leitendem Material erzeugt wird. Günstige Werte für die elektrische Leitfähigkeit liegen zwischen I kOhm und 1 MOhm pro cm².

Fi g. 3a zeigt schematisch die magnetische Induktion auf der Achse, wenn allein die statische Linse L\ erregt wird. Die Einsattelung der Induktion wird durch den Abschirmkreis (F i g. 2, ?'iffer 3) hervorgerufen.

Fig. 3b zeigt die magnetische Induktion, die allein von der dynamischen £pule hervorgerufen wird, wenn sie von einem bestimmen konstanten Strom durchflossen wird.

In der Fi g. 3c ist ein¹-¹ 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:

Bei dieser Anordnung ist die Gesamtverschiebung der Fokuslage ZlZ nicht mehr allein abhängig von der Änderung von Br, sondern es kommt zusätzlich das Produkt 2 B\Bi als Einflußgröße hinzu. Dies bedeutet, daß das bereits vorhandene Feld der Linse L\ die Wirkung des dynamischen Feldes der Linse Li

ι ϊ 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

2> Wert von 160 relativen Einheiten erregt wird. Zur Erzielung der genannten schnellen Umfokussierung muß in einer außerhalb der statischen Linse nach F i g. 1 angeordneten dynamischen Fokusliiise eine relative Änderung der Induktion um 22 Einheiten erfolgen. Die

in Summe der beiden Quadrate ist nach Gleichung (1) dann:

B² a 3044« 160² + 222.

In der Anordnung nach F i g. 2 ist eine wesentlich

i"> geringere Änderung der Erregung der dynamischen Linse nötig. Wieder sei die Hauptlinse auf den die magnetische Induktion kennzeichnenden Wert von 160 Einheiten erregt. Dabei ist zur schnellen Umsteuerung des Fokus nur noch eine Änderung von 02=1,5

■"> Einheiten notwendig. Im Beispiel ergibt sich

#«3044= 1602 + 2 · 160 · 1,5+1,5².

Die elektrischen Leistungen, die zur Ansteuerung der dynamischen Linse notwendig sind, verhalten sich:

N

22² " 200

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 Fokus zu erreichen.

Es hat sich bei dieser Anordnung von dynamischer und statischer Fokusspule gezeigt, daß die gegenseitige Beeinflussung der Felder gering ist, so daß die Wirbelstrom- und Induktionsverluste kaum auftreten. Insbesondere hat sich gezeigt, daß die Güte der Linse, d. h. der Öffnungsfehler (sphärischer Aberration) der Hauptlinse durch diese Anordnung der dynamischen Linse nicht vergrößert wird. Bisher war man der Ansicht, daß ein Einbringen eines magnetisch hochper-,iieablen Abschirmkreises das ursprüngliche Linsenfsld negativ beeinflußt, indem die sphärische Aberration zunimmt. 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 Elektronenstrahlgruvur. 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 DE-AS 11 23 561 beschrieben.

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.

Anstelle von Ringspulen als Fokuslinsen können auch Multipol-Linsen verwendet werden. Im einfachsten Falle kann eine Kombination aus zwei Quadrupol-Linsen verwendet werden, welche hintereinander angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetischen, fokussierenden, elektronen-optischen Linsenanordnung, bei der eine Linse im Inneren einer größeren Linse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die im Inneren der größeren Linse angeordnete Linse als dynamische Linse (L₂) zur schnellen Änderung des Fokus der Linsenanordnung und die größere Linse als statische Linse (L\) zur Übernahme der Hauptfokussierung der Linsenanordnung betrieben werden.

2. Linsenanordnung für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die η dynamische Linse (L₂) im zentralen Bereich der statischen Linse (L\) angeordnet ist.

3. Linsenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Linse (L₂) in der Mitte der statischen Linse /Xj) angeordnet ist

4. Linsenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Linse (L₂) eine Ringspule (2) ist.

5. Linsenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Linse (L₂) aus 2 oder mehreren Multipollinsen besteht.

6. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Abschirmung (3) zwischen dynamischem und statischem Linsenfeld

7. Linsenanordnung nach Anspruch 6, dadurch so gekennzeichnet, daß die Abschirmung (3) aus einem hochpermeablen Werkstoff besteht.

8. Linsenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein Hochfrequenz-Ferritist. r>

9. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (3) ein Ringkörper ist, der die dynamische Linse (L₂) umgibt.

10. Linsenanordnung nach Anspruch 4 und 9, 4(1 dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper U-förmigen Querschnitt und in seinem Inneren die Ringspule (2) aufweist.