DE2752598C3

DE2752598C3 - Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetischen fokussierenden elektronen-optischen Linsenanordnung und Linsenanordnung hierfür

Info

Publication number: DE2752598C3
Application number: DE2752598A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Phys. Dr. 2308 Preetz 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: 1981-10-15
Also published as: BE871109A; CH635464A5; NL182996C; GB2012476A; US4245159A; GB2012476B; DE2752598B2; FR2410356B1; DE2752598A1; NL182996B; FR2410356A1; NL7811418A; CA1100564A; JPS6124782B2; JPS5476058A

Description

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

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 Ahwendungsfälle, bei denen nach Auslenkung des Elektronenstrahls der Fokus nachgeregelt werden muß, z. B. bei Kathodenstrahlröhren oder Fälle in Her 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 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 Zusatzlmse 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 Zusatzspule 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 Elektronenstrahlgerät 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 Kondensorlinse 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 1 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

F i g. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer beaknnten dynamischen Fokussierungsanordnung,

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

Fig.3 eigs schematische Darstellung der magnetischen Induktion auf der Spulenac-hse.

In F i g. 1 ist nur der für die Fokussierung benötigte Teil des Elektronenstrahlgangs schematisch dargestellt Der Elektronenstrahl / durchläuft, bevor er auf das Werkstück W trifft, eine elektromagnetische Linse L₁, die als statische Fokusspule bezeichnet wird. Der Strahl wird durch diese elektronen-optische Sammellinse auf einen Brennpunkt Ffokussiert Unterhalb der statischen Fokuslinse L₁ 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 L₂ 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 dargestellt. Die elektronenoptische Brechkraft der gesamten Anordnung ist abhängig von der Summe der Quadrate der magnetischen Induktionen

B² = B] +

(D

wobei die Gesamtverschiebung AZ nur von der Änderung von B₂ ² abhängig ist.

Die Fig.2 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung von statischer und dynamischer Fokusspule gemäß dem Ausführungsbeispiel 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 / 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 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 zugewandten Oberfläche der Vergußmasse eine gewisse elektrische Leitfähigkeit durch Beigabe von elektrisch leitendem Material erzeugt wird. Günstige Werte für die elektrische Leitfähigkeit liegen zwischen 1 kOhm und 1 MOhm pro cm².

F i g. 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 (F i g. 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 F i g. 3c ist eine Überlagerung von Feldern der statischen und dynamischen Linse dargestellt Wie leicht einzusehen ist, superponieien die beiden Magnetfelder, die durch die dynamische und die statische Fokusspule erzeugt werden, linear. Die elektronenoptische Brechkraft diesur Anordnung ist abhängig von der Quadratsumme der einzelnen magnetischen Induktionen:

P=(B₁ +BzP=B₁*+2 B_xB₂+B₂ ².

Bei dieser Anordnung ist die Gesamiverschiebung der Fokuslage AZ nicht mehr allein abhängig von der Änderung von B₂ ², sondern es kommt zusätzlich das Produkt 2 B₁B₂ als Einflußgröße hinzu. Dies bedeutet, daß das bereits vorhandene Feld der Linse L₁ die Wirkung des dynamischen Feldes der Linse L₂ 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 F i g. 1 angeordneten dynamischen Fokuslinse eine relative Änderung der Induktion um 22 Einheiten erfolgen. Die Summe der beiden Quadrate ist nach Gleichung (1) dann:

In der 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. Dabei ist zur schnellen Umsteuerung des Fokus nur noch eine Änderung von 52=1,5 Einheiten notwendig. Im Beispiel ergibt sich

160 ·

1,5².

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

45 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 Induktionsveriuste 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 hochpermeablen Abschirmkreises das ursprüngliche Linsenfeld negati" 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 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 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 Elektronenmikro-

skopen 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 Biait Zeichnüügeä.

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 (La) 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 dynamische Linse (L2) im zentralen Bereich der statischen Linse (L\) angeordnet ist

3. Linsesanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Linse (Li) in der Mitte der statischen Linse (L\) angeordnet ist

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

5. Linsenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Linse (Li) 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 gekennzeichnet, daß die Abschirmung (3) aus einem hochpermeablen Werkstoff besteht.

8. Linsenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein Hochfrequenz-Ferrit ist.

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, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper U-förmigen Querschnitt und in seinem Inneren die Ringspule (2) aufweist.