DE3019684A1

DE3019684A1 - PROTECTIVE DEVICE OF A CATODE IN ELECTRON RADIATORS

Info

Publication number: DE3019684A1
Application number: DE19803019684
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl Phys Doering; Jens Dipl Phys Jacob; Alfred Salwender; Karl-Heinz Schulz; Hans Zapfe
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1979-05-28
Filing date: 1980-05-23
Publication date: 1980-12-04
Also published as: GB2052847A; DD143187A1; JPS6019620B2; GB2052847B; JPS55161327A

Description

Schutzvorrichtung einer Katode in Elektron en strahlgerät enProtective device of a cathode in electron beam devices

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken von positiven Ionen an Elektronenstrahlern, die durch Reduzierung des Ionenbeschusses zum Schutz der Katode dient»The invention relates to a device for deflecting positive ions on electron guns, which serve to protect the cathode by reducing the ion bombardment »

Diese Vorrichtung kann in Elektronenstrahlgeräten angewandt werden, bei denen für stabil arbeitende Elektronensonden eine präzise ortsstabile Lage der Elektronenquelle erforderlich ist, z.B. für Elektronenstrahlmeß- und Elektronenstrahlbelichtungsgeräte.This device can be used in electron beam devices, in which for stably operating electron probes a precise, stable position of the electron source is required, e.g. for electron beam measurement and electron beam exposure devices.

Bekannt sind asymmetrische Systeme von Ionenfallen in Elelctronenstrahlern, wobei ein durch magnetische oder elektrische Mittel gebogener Elektronenstrahl benutzt wird ( z.B. in E. Bas: Optik £2 ( 1955) 8, S.377-3S4 und Rint: Handbuch, für HF- und Elektrotechniker). Ein solcher Strahlengang verschlechtert wegen der asymmetrischen Ablenk- und Linsenfehler den Fokus und damit die Bildqualität in Elektronensondengeräten. ¥eiterhin sind axiale Ionenfallensysteme bekannt, die den Nachteil der unsymmetrischen Systeme nicht aufweisen. Diese Systeme arbeiten z.B. mit axialsymmetrischer Führung des Elektronenstrahls durch elektrostatische Mittel, die um einen in der optischen Achse angebrachten lonenfänger angeordnet sind (z.B, US-PS 3 452 241). Der Nachteil dieses Systems besteht darin, daß es sehr aufwendig hinsichtlich Elektroden und den entsprechenden Versorgungsspannungen ist, besonders, wenn die Forderungen an die Qualität des Elektronenstrahls hoch sind.Asymmetric systems of ion traps in Elelctronenstrahler are known, with a magnetic or electrical means bent electron beam is used (e.g. in E. Bas: Optik £ 2 (1955) 8, pp.377-3S4 and Rint: manual, for RF and electrical engineers). Such a Beam path deteriorates because of the asymmetrical Deflection and lens errors reduce the focus and thus the image quality in electron probe devices. Axial ion trap systems are also known that the Do not have the disadvantage of the asymmetrical systems. These systems work, for example, with axially symmetrical guidance of the electron beam by electrostatic means around an ion trap mounted in the optical axis (e.g. U.S. Patent 3,452,241). The downside to this The system is that it is very expensive in terms of electrodes and the corresponding supply voltages is, especially when the demands on the quality of the electron beam are high.

Bei Elelctronenstrahlern ohne lonenablenkung wird eine Abtragung der Katodenspitze u.a. durch Katodenbeschuß vom Hersteller angegeben, deren nachteilige Wirkung - Abnahme des Richtstrahlwertes - der Anwender des Strahlers durch Nachjustieren der Katode korrigieren muß. Dazu muß dasIn the case of electron emitters without ion deflection, a Removal of the cathode tip by, among other things, cathode bombardment from Manufacturer indicated their adverse effect - decrease of the directional radiation value - the user of the radiator by Readjusting the cathode must correct. To do this, it must

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Elektronenstrahlgerät außer Betrieb genommen und der Strahler demontiert werden. Diese Technik ist aufwendig, kann zur Zerstörung der versprödeten Katodenteile führen und verringert je nach Stabilitätsforderung des Elektronenstrahlgerätes deren Verfügbarkeit mehr oder weniger stark. Der ursprüngliche Richtstrahlwert ist durch das Nachjustieren der Katode nicht sicher wieder einstellbar.Electron beam device taken out of service and the Heater must be dismantled. This technique is complex and can lead to the destruction of the embrittled cathode parts and reduced depending on the stability requirements of the electron beam device their availability more or less strong. The original directional radiation value is due to the Readjusting the cathode cannot be safely re-adjusted.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den technischen Aufwand von Vorrichtungen der genannten Art und den Nachjustieraufwand zu senken bzw. den Nachjustieraufwand zu eliminieren sowie die Verfügbarkeit von Strahlern und die Lebensdauer von Katoden in Strahlern unter verringerten Aufwand zu erhöhen.The aim of the invention is to reduce the technical complexity of devices of the type mentioned and the To reduce readjustment effort or the readjustment effort to eliminate as well as the availability of emitters and the service life of cathodes in emitters under reduced Increase effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, daß die Lebensdauer von Katoden durch Schutz der Katodenspitze vor positiven Ionen erhöht wird und dabei die Bahnen der Elektronen nicht störend beeinflußt werden.The invention is based on the object of creating a way that the service life of cathodes by Protection of the cathode tip from positive ions is increased and the orbits of the electrons are not disrupted will.

In einer Vorrichtung zum Ablenken von positiven Ionen an einem Dlektronenstrahler zum Schutz der Katode vor Ionenbesch»-uß wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Katode von einem Magnetringsystem umgeben ist und ein rotationssymmetrisches Feld um die elektronenoptische Achse besteht, das von der Katode zur Anode des Elektronenstrahlers divergiert. Vorteilhaft ist, wenn das Magnetringsystem aus zwei Permanentmagnetringen besteht, die von einem ringförmig ausgebildeten magnetischen Rückschluß umgeben sind und zwischen denen sich ein veränderbarer Luftspalt befindet. Eine andere günstige Lösung ist, das Magnetringsystem als axial magnetisierten Perinanentmagnetring auszubilden, der in einem ringförmigen Polschuh angeordnet ist.In a device for deflecting positive ions on a electron beam to protect the cathode Ion bombardment is the object of the invention solved that the cathode is surrounded by a magnetic ring system and a rotationally symmetrical field around the consists of an electron-optical axis that diverges from the cathode to the anode of the electron gun. Advantageous is when the magnetic ring system consists of two permanent magnetic rings consists, which are surrounded by an annular magnetic yoke and between where there is a changeable air gap. Another cheap solution is to use the magnetic ring system as axial to form magnetized perineal magnet ring, which is in an annular pole piece is arranged.

Weiterhin kann das rotationssymmetrische Feld von dem Magnetsystem einer im Elektronenstrahler integrierten Zerstäuberionenpumpe erzeugt werden. Die Wirkung derFurthermore, the rotationally symmetrical field from the magnet system can be integrated in the electron gun Atomizing ion pump can be generated. The effect of the

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Vorrichtung beruht darauf, daß der rotationssynrietrische, zur Anode hin divergierende magnetische Feldlinienverlauf eine Defokussierung auf die positiven Ionen bewirkt und die Ionenstromdiohte auf der Katodenspitze verringert. Device is based on the fact that the rotationally synchronous, The course of the magnetic field lines diverging towards the anode causes a defocusing of the positive ions and reduces the ion current on the cathode tip.

In folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der zugehörigen Zeichnung, in der In the following, the invention is based on exemplary embodiments and the associated drawing, in which

Figur 1 eine Vorrichtung mit einem zwei Magnetringe enthaltenden MagnetringS3rstem ^indFIG. 1 shows a device with a magnetic ring S3rstem ^ ind containing two magnetic rings

Figur 2 eine Vorrichtung nit einem nur einen Magnetring und Polschuhringe enthaltenden Ma gn e t ringsys t ent
im Schnitt darstellt, näher erläutert werden»FIG. 2 shows a device with a magnet ring system containing only one magnetic ring and pole shoe rings
represents in section, to be explained in more detail »

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus zwei Magnetringen 1 und 2, die achsparallel um eine in einer Halterung ? befestigten Katode k eines Elektronenstrahlers angeordnet sind. Im Luftspalt der Magnetringe 1 und 2, die von einem magnetischen Rückschluß 5 umgeben sind, ist das Entladungssystem 6 einer integrierten Zerstäuberionenpumpe augeordnet.The device shown in Fig. 1 consists of two magnetic rings 1 and 2, which are axially parallel to one in a holder? attached cathode k of an electron gun are arranged. The discharge system 6 of an integrated atomizing ion pump is arranged in the air gap between the magnet rings 1 and 2, which are surrounded by a magnetic yoke 5.

Zum Zweck der Justierung des Elektronenstrahlers zur elektronenoptischen Achse 7 des Elektronenstrahlgerätes sind zwei Justierschrauben 3 vorgesehen, mit deren Hilfe die Magnetringe 1 und 2 des Magnetringsystems radial verschoben werden können.For the purpose of adjusting the electron beam to the electron-optical axis 7 of the electron beam device two adjusting screws 3 are provided, with the help of which the magnetic rings 1 and 2 of the magnetic ring system radially can be moved.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung beruht darauf, daß ein im Raum 9 zwischen der Katode k und der Anode 10 bestehendes divergierendes Magnetfeld 11, das durch seinen Feldlinienverlauf dargestellt ist, auf achsennahe Ladungsträgerstrahler 12 aufgrund der sich dort kompensierenden Radalaiiteile des Magnetfeldes 11 wenig auswirkt. Auf Elektronen der Ladungsträgerstrahlen 12, die sich relativ nahe der Achse 7 bewegen, hat das Magnetfeld 11The mode of operation of the device is based on the fact that a diverging magnetic field 11 existing in space 9 between cathode k and anode 10, which is represented by its field lines, has little effect on charge carrier radiators 12 close to the axis because of the compensating radalaii parts of magnetic field 11 there. The magnetic field 11 has electrons of the charge carrier beams 12 that move relatively close to the axis 7

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somit keinen negativen Einfluß, iTahe der Anode 10 sind die Elektronen so hoch beschleitnigt, daß auch die divergierenden negativen Teile der Ladungsträgerstrahlen 12 durch die Querkoinponente des do2?t an sich relativ schwachen Magnetfeldes 11 kaum beeinflußt werden. Aus dem unter der Anode 10 liegenden Raun I3 des Strahlers mit höhereu Druck als im Raum 9 treten positive Ionen nach der bekannten Kosinusverteilung durch das Anodenloch in den Strahlerratir.i ein un4verden in Richfouig der Katode h beschleunigt. Auf achsennahe Tonen wirkt wegen ihrer großen Masse das relativ schwache Magnetfeld kaum satsrielnd. Schräg einfallende positive Ionen, die als Strahlen lh dargestellt sind, werden durch das außerhalb der Achse 7 divergierende Magnetfeld 11 weiter zerstreut, insbesondere gleich oberhalb der Anode 10 im Raum 9» vio die Ionen noch nicht beschleunigt sind, so daß am Ort der Spitze der Katode h die Ionendichte insgesamt verringert wird. Dadurch werden Schädigungen der Katode stark vermindert.thus no negative influence, near the anode 10 the electrons are accelerated to such an extent that the diverging negative parts of the charge carrier beams 12 are hardly influenced by the transverse components of the magnetic field 11, which is relatively weak in itself. From the lying under the anode 10 Raun I3 of the radiator with höhereu pressure than in the space 9 occur positive ions according to the well-known cosine distribution through the anode hole in the Strahlerratir.i a un4verden accelerated h in Richfouig the cathode. Due to their large mass, the relatively weak magnetic field has hardly any saturation effect on clays close to the axis. Inclined positive ions, which are shown as rays lh , are further scattered by the magnetic field 11 diverging outside the axis 7, in particular immediately above the anode 10 in the space 9 »vio the ions are not yet accelerated, so that at the point of the tip the Cathode h the ion density is reduced overall. This greatly reduces damage to the cathode.

Figur 2 zeigt eine Vorrichtung, die atis einem um die Katode h angeordnenten, axial magnetisieren Permanentriagnetring I5 besteht, der von einem Polschuhringsystem umgeben ist. Das Polschuhringsystem besteht aus einem festen Polschuhring 16 und vier Justierschrauben 17 > die ztir Verschiebung des Magnetringes 15 und zur Justierung des Elektronenstrahls zur Achse des Elektronenstrahlgerätes dienen, sowie aus einem verstellbaren Polschuhring 18, mit dessen Hilfe sich der Ringspalt I9 und damit das Streufeld im Bereich der Katode h einstellen läßt. Eine axiale Justierung des Magnetringes 15 zur Katode h ist mittels eines Stellringes 20 möglich. Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig, 2 ist analog der nach Fig, 1; die beruht ebenso darauf, daß aufgrund des rotationssymmetrischen, zur Anode divergierenden magnetischen Feldlinienverlaufs eine Defokussierung auf die positiven Ionen bewirkt und die Ionenstroindichte auf der Katodenspitze verringert wird.FIG. 2 shows a device which consists of an axially magnetized permanent magnet ring 15 which is arranged around the cathode h and which is surrounded by a pole shoe ring system. The pole shoe ring system consists of a fixed pole shoe ring 16 and four adjusting screws 17, which are used to move the magnetic ring 15 and to adjust the electron beam to the axis of the electron beam device, as well as an adjustable pole shoe ring 18, with the help of which the annular gap I9 and thus the stray field in the area the cathode can set h . An axial adjustment of the magnetic ring 15 relative to the cathode h is possible by means of an adjusting ring 20. The mode of operation of the device according to FIG. 2 is analogous to that of FIG. 1; this is also based on the fact that, due to the rotationally symmetrical course of the magnetic field lines diverging towards the anode, a defocusing of the positive ions is effected and the ion stream density on the cathode tip is reduced.

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L e e r s e 11 eRead 11 e

Claims

Device for deflecting positive ions
an electron gun to the slot of the cathode
before ion bombardment, characterized in that the cathode is surrounded by a magnet system and there is a rotationally symmetrical field around the electron-optical axis which diverges from the cathode to the anode of the electron gun.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the magnet system consists of two permanent magnet rings, one of which is ring-shaped magnetic yoke are surrounded and between which there is a variable air gap.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the magnetic ring system consists of an axially magnetized Permanent magnet ring consists of a annular pole piece is arranged.

H. Device according to Claim 1, characterized in that the rotationally symmetrical field from the magnet system is one integrated in the electron gun
Atomizing ion pump is generated.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the magnetic ring system for electron-optical
Axis is adjustable.

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ORIGINAL INSPECTED