DE3706269A1 - Schaltung zur steuerung eines elektronenstrahls in elektronenstrahl-verdampfern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steuerung eines Elektronenstrahls in Elektronenstrahl-Verdampfern, die in Elektronenstrahl-Verdampfern zum Schweißen, Schmelzen und Verdampfen von Metallen, zur zonenweisen Reinigung von Materialien, zur Destillation und Raffination, zum Auftragen von Überzügen, bei der Lithographie usw. An­ wendung findet.

Bei den bekannten Steuerschaltungen zur Steuerung eines Elektronenstrahls in Elektronenstrahl-Verdampfern sind die elektromagnetische oder die elektrostatische Linse und das Ablenkungssystem an eine Gleichstromquelle (re­ gulierbarer Gleichstrom-Verstärker) angeschlossen. Die Beziehung zwischen Strom und Spannung

worin k eine Konstante ist, U _B die Beschleunigungsspannung, und f die Brennweite.

Es ist eine weitere Steuerschaltung bekannt, die einen Teiler der Beschleunigungsspannung enthält, dessen Aus­ gang über ein Radizierglied der 4. Wurzel an den einen Eingang der Teilungseinheit angeschlossen ist. Der ande­ re Eingang dieser Einheit steht in Verbindung mit dem Ausgang eines Radizierglieds der Quadratwurzel vom Strom eines Elektronenstrahls. Der Ausgang der Teilungseinheit ist an den Eingang der Steuereinheit angeschlossen, deren Ausgang mit der Fokussierungs-Linse verbunden ist (SU 10 50 011 A).

Ein Nachteil der bekannten Lösungen ist die Notwendigkeit der Gleichrichtung und der guten Filtrierung der Beschleu­ nigungsspannung U _B (des öfteren U _B 20 kV), was die Anlage wesentlich verteuert und die Zuverlässigkeit und den Wir­ kungsgrad vermindert. Außerdem werden in der Steuereinheit des Elektronenstrahls Gleichstrom-Verstärker mit den ih­ nen eigenen Nachteilen der Nulldrift, von Fluktuationen und mit komplizierter Anwendung usw. benutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerschaltung zur Steuerung eines Elektronenstrahls zu schaffen, die bil­ liger und zuverlässiger sein und einen hohen Wirkungs­ grad aufweisen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent­ anspruch 1 beschriebene Steuerschaltung gelöst.

Wenn die Fokussierungslinse eine elektrostatische ist und die ablenkenden Linsen elektromagnetische sind, ist der Eingang der regulierbaren Fokussier-Verstärker di­ rekt mit dem Ausgang der Spannungsquelle verbunden, deren Spannung nach Frequenz und Phase mit der Spannung des entsprechenden Elektronenstrahls übereinstimmt. Die Vor­ teile der erfindungsgemäßen Steuerschaltung bestehen in der verminderten Anzahl der Hochspannungs-Elemente, wo­ bei die Kosten und die Ausmaße bei erhöhter Zuverlässig­ keit und erhöhtem Wirkungsgrad der Anlage vermindert sind.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung als Block­ schaltbild dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert.

An die Ausgänge fokussierenden, eines regulierbaren Wech­ selstrom-Verstärkers 1, eines längs der X-Achse ablenken­ den regulierbaren Wechselstrom-Verstärkers 2 und eines längs der Z-Achse ablenkenden regulierbaren Wechselstrom- Verstärkers sind eine Fokussierungs-Linse 4, eine entlang der X-Achse ablenkende Elektronen-Linse 5 bzw. eine ent­ lang der Z-Achse ablenkende Elektronen-Linse 6 angeschlos­ sen. Der Eingang des regulierbaren Verstärkers für Fokus­ sierung 1 steht in Verbindung mit dem Ausgang eines er­ sten Radizierglieds 7, dessen Eingang an den Ausgang ei­ nes ersten Phasenschieberglieds 8 angeschlossen ist. Der Eingang des Phasenschieberglieds 8 steht in Verbindung mit dem Ausgang einer Spannungsquelle 9, welche nach Frequenz und Phase mit der Spannung des Elektronenstrahls übereinstimmt. An den Ausgang der Spannungsquelle 9 ist der Eingang eines zweiten Phasenschieberglieds 10 ange­ schlossen, mit dessen Ausgang der Eingang eines zweiten Radizierglieds 11 in Verbindung steht. Mit seinem Ausgang sind die Eingänge der regulierbaren Ablenk-Verstärker für Ablenkung 2 und 3 verbunden, wobei zwischen deren Ausgänge und den entsprechenden Eingang des regulierbaren Fokussier-Verstärkers 1 eine Recheneinheit 12 zur Korrek­ tur der Brennweite in Abhängigkeit von der Laufbahnlänge des Elektronenstrahls angeschlossen ist.

Wenn die Fokussierungs-Linse 4 eine elektrostatische ist und die Ablenkungs-Linsen 5 und 6 elektromagnetisch sind, wird der Eingang des regulierbaren Fokussier-Verstärkers 1 direkt an den Ausgang der Spannungsquelle 9 angeschlos­ sen.

Die Wirkungsweise der Steuerschaltung ist die folgende. Bei einer Wechselspannung, welche die Elektronen des Elektronenstrahls beschleunigt, verändert sich die Ge­ schwindigkeit im Laufe der Zeit. Die Brennweite und die X- und Z-Ablenkung werden sich ebenso verändern. Um die­ se konstant zu erhalten, ist es erforderlich, daß sich die Einwirkungskraft der elektromagneten Linsen auf die Elektronen synchron mit der Beschleunigungsspannung U _B und proportional der Quadratwurzel vom Momentanwert die­ ser Spannung U _B verändert.

Eine Information über die Frequenz und die Phase der Be­ schleunigungsspannung U _B erhält man von der Spannungs­ quelle 9. Infolge der Induktivität der elektromagneten Linsen bleibt der Vektor des Stroms durch diese und folg­ lich auch der Vektor des erzeugenden Magnetstroms gegen­ über dem Spannungsvektor zurück. Ihre Synchronisierung mit der Beschleunigungsspannung wird durch das Phasen­ schieberglied 8 bzw. 10 erreicht. Es sind zwei separate Phasenschieberglieder notwendig, weil in dem allgemeinen Fall Q - der Faktor der Fokussierungs-Linsen 4 unter­ schiedlich von dem der Ablenkungs-Linsen 5 und 6 ist.

Das Radizierglied 7 bzw. 11 erfüllt die zweite Forderung für die Proportionalität der Quadratwurzel des Momentanwerts der Beschleunigungsspannung.

Das radizierte und synchronisierte Signal jeder Phase wird den regulierbaren Wechselstrom-Verstärkern 1, 2 und 3 zugeführt, welche die elektromagnetischen Linsen 4, 5 und 6 speisen. Jede Phase verfügt über je zwei sepa­ rate Fokussier-Verstärker 1 und je zwei Ablenk-Verstärker 2 und 3 für die X- und die Z-Ablenkung, weil an eine Phase zwei Elektronenstrahl-Verdampfer angeschlossen sind.

Bei der Benutzung elektrostatischer Linsen 4 für die Fo­ kussierung ist die Einwirkungskraft des elektrischen Fel­ des auf die Elektronen synchron und proportional dem Mo­ mentanwert der angewandten Spannung U _B . Demzufolge wird die Information über die Frequenz und die Phase der Be­ schleunigungsspannung U _B direkt dem Eingang eines regu­ lierbaren Fokussier-Verstärkers 1 übertragen.

Bei Ablenkung eines konstant fokussierten Elektronenstrahls beschreibt der Fokussierpunkt einen Teil einer Kugel mit einem konstanten Radius. Die zu bearbeitende Fläche ist zu gleicher Zeit in der Ebene X-Y angeordnet, was eine Korrektur der Brennweite bei einer Veränderung der Ablen­ kung in X- oder Z-Richtung erfordert, wofür die Rechen­ einheit 12 dient.

Claims (2)

1. Schaltung zur Steuerung eines Elektronenstrahls in Elektronenstrahl-Verdampfern mit regulierbaren Fo­ kussier- (1) und Ablenkverstärkern (2, 3) zur Ablen­ kung in X- und Z-Richtung, an deren Ausgänge eine Fokussier-Linse (4), eine Ablenklinse (5) zur Ablen­ kung in X-Richtung, eine Ablenklinse (6) zur Ablen­ kung in Z-Richtung angeschlossen sind, und mit einem Radizierglied, dadurch gekennzeichnet, daß die regulierbaren Verstärker (1, 2, 3) Wechsel­ strom-Verstärker sind, wobei an den Eingang des Fokus­ sier-Verstärkers (1) der Ausgang des Radiziergliedes (7) angeschlossen ist, dessen Eingang mit dem Ausgang eines ersten Phasenschieberglieds (8) in Verbindung steht, das an den Ausgang einer Spannungsquelle (9) angeschlossen ist, dessen Spannung nach Frequenz und Phase mit der Beschleunigungsspannung des Elektronen­ strahls übereinstimmt, wobei an den Ausgang dersel­ ben Spannungsquelle (9) der Eingang eines zweiten Phasenschieberglieds (10) angeschlossen ist, dessen Ausgang über ein zweites Radizierglied (11) an die Eingänge der Ablenk-Verstärker (2, 3) angeschlossen sind, wobei zwischen die Ausgänge der Ablenk-Verstär­ ker (2, 3) und den entsprechenden Eingang des Fokus­ sier-Verstärkers (1) eine Recheneinheit (12) zur Kor­ rektur der Brennweite in Abhängigkeit von der Verän­ derung der Laufbahnlänge des Elektronenstrahls ge­ schaltet ist.
2. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fokussier-Linse (4) eine elektrostatische Linse ist und daß der Eingang des Fokussier-Verstärkers (1) direkt an den Ausgang der Spannungsquelle (9) angeschlossen ist.