DE60017689T2

DE60017689T2 - Verfahren zur Messung eines Elektronenstrahls und Elektronen-Bestrahlungs-Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60017689T2
Application number: DE60017689T
Authority: DE
Inventors: Minoru Kanagawa-ken Komori; Masanori Hyogo-ken Yamaguchi
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: USHIODENKI K K TOKIO/TOKYO JP; Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: US20010015412A1; TW464947B; EP1104002A1; EP1104002B1; US6657212B2; DE60017689D1; KR20010052023A; KR100554697B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenstrahl-Messverfahren, das die Menge der Elektronenstrahlen misst, die von einer Elektronenstrahlröhre vom Vakuum-Röhren-Typ auf ein Werkstück ausgestrahlt werden, welche für die Aushärtung von Photoresists, die auf Halbleiterwafern aufgebracht sind, etc. und zum Trockenen von Tinte auf verschiedenen Arten von bedrucktem Material verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Elektronenstrahl-Bestrahlungs-Bearbeitungsvorrichtung, die das oben genannte bearbeitete Material durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen bearbeitet.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Der Gebrauch von Elektronenstrahl-Bestrahlung wurde vorgeschlagen, um Photoresists, die auf Halbleiterwafern aufgebracht sind, auszuhärten, sowie um Farbe, Tinte, Klebstoff, Schutzharz, etc., die auf Trägermaterial aufgebracht sind, zu trocknen.
In den letzten Jahren wurden Elektronenstrahlröhren mit einem Fenster vermarktet. Der Aufbau solcher Elektronenstrahlröhren umfasst eine Thermion-Ausstrahlungseinheit und eine Elektronenstrahl-Beschleunigungseinheit, die in einem Vakuumbehälter montiert sind, der mit einem Fenster versehen ist, das durchlässig für Elektronenstrahlen ist. Die thermo-ionischen Elektronen, die von der thermo-ionischen Einheit ausgestrahlt werden, werden von einer Elektronenstrahl-Beschleunigungseinheit beschleunigt und ausgestrahlt.
Die Elektronenstrahlen werden von dem Fenster aus in die Atmosphäre ausgestrahlt, wenn solch eine Elektronenstrahlröhre benutzt wird. Herkömmliche Elektronenstrahl-Bestrahlungs- Bearbeitungsvorrichtungen haben den Druck der Atmosphäre herabgesetzt, in welcher das bestrahlte Material angeordnet ist. Das ist jedoch unnötig, wenn die oben genannte Elektronenstrahlröhre benutzt wird und dadurch der Bedarf an Vakuumpumpen und Unterdruckkammern für die Druckverminderung vermieden und infolgedessen der Aufbau der Elektronenstrahl-Bestrahlungs-Bearbeitungsvorrichtung vereinfacht wird.
7 ist ein Diagramm, das den schematischen Aufbau eines Vertikaltyps einer Elektronenstrahlröhre zeigt, die mit einem Fenster (im Folgenden abgekürzt als ES-Röhre) und einem Stromversorgungsschaltkreis ausgestattet ist.
Die ES-Röhre 1 ist mit einem Leuchtfaden 1a und einem Gitter 1b ausgestattet. Über den Anschluss 1f wird der Leuchtfaden 1a und dem Gitter 1b von der Gleichstrom-Hochspannungs-Stromquelle 2 Hochspannung von beispielsweise 30 bis 70 kV zugeführt. Der Leuchtfaden 1a wird durch den Strom, der von der Leuchtfaden-Stromquelle 3 geliefert wird, erhitzt und thermo-ionische Elektronen werden ausgestrahlt. Die Elektronen, die ausgestrahlt werden, werden durch ein elektrisches Feld, das durch das Gitter 1b erzeugt wird, in Strahlenform angeordnet. Außerdem ist die Gitter-Stromquelle 4 durch den Anschluss 1f mit dem Gitter 1b verbunden, und die Elektronenemission aus dem Gitter 1b kann durch das Steuern der Spannung, die dem Gitter 1b zugeführt wird, gesteuert werden.
Der angeordnete Elektronenstrahl (im Folgenden "Elektronenstrahl" genannt) wird außerhalb der ES-Röhre 1 vom Fenster 1d, das in den Flansch 1c eingesetzt ist, abgegeben. Die Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, werden auf bearbeitetes Material wie Halbleiterwafer, die nicht dargestellt sind, oder auf verschiedene Arten von bedrucktem Material ausgestrahlt, um das Aushärten von Photoresists oder das Trocken von Tinte etc. abzuschließen.
Die ES-Röhre 1 besitzt eine abgedichtete Anordnung, welche die Quarz-Röhrenwand 1e, den Flansch 1c und das Fenster 1d umfasst. Der Innendruck wird auf 10^–4 bis 10^–6 Pa (10^–6 bis 10^–8 Torr) herabgesetzt, um sicherzustellen, dass die erzeugten Elektronenstrahlen nicht abgeschwächt werden.
Das Fenster 1d ist ein Film eines speziellen Materials, das Silikon von einigen μm Dicke (zum Beispiel 3 μm) enthält, um zu gewährleisten, dass die Elektronenstrahlen beim Durchlaufen des Fensters 1d nicht abgeschwächt werden.
Die erzeugten Elektronenstrahlen können außerhalb der ES-Röhre 1 durch Vergrößern der Fläche des Fensters 1d effektiver abgegeben werden. Jedoch ist das Fenster, wie oben beschrieben, äußerst dünn (einige μm), und es muss als Abtrennung zwischen dem Luftdruck außerhalb der ES-Röhre 1 und dem Druck (10^–4 bis 10^–6 Pa) innerhalb der ES-Röhre 1 dienen. Folglich kann die Fläche eines einzigen Fensters wegen der Bruchgefahr nicht zu groß sein. Deshalb wird eine Vielzahl von Fenstern, von denen jedes eine kleine Fläche mit einer Länge von 1 bis 2 mm pro Seite besitzt, in Längsrichtung der Leuchtfaden ausgerichtet, um die Form der Elektronenstrahlen anzugleichen, wie in 8 dargestellt ist.
EP 1 100 109 A1 (Stand der Technik gemäß Art. 54.3 EPÜ) offenbart eine Elektronenstrahlröhre vom Vakuumröhren-Typ, die der in 7 der vorliegenden Anmeldung ähnlich ist. Die Elektronenstrahlen werden von einer Elektronenstrahlröhre durch ein Fenster in eine Bearbeitungskammer ausgestrahlt. Die Atmosphäre innerhalb der Bearbeitungskammer enthält ein Gas, das eine niedrigere Dichte als Luft besitzt. Zusätzlich ist ein Stromermittler mittels eines elektrischen Drahtes mit dem bestrahlten Werkstück verbunden, um den Strom zu messen.
JP 03072290 A zeigt eine Elektronenstrahlröhre, die Elektronenstrahlen durch ein Bestrahlungsfenster auf eine filmförmige Substanz ausstrahlt. Ein Teil der Elektronenstrahlen fällt auf eine Elektrode, die genau unterhalb der filmförmigen Substanz angeordnet ist. Die Elektrode ist mit einem Stromermittler verbunden, welcher den Strom in der Elektrode misst.
Eine vorgeschriebene Menge von Elektronenstrahlen muss während der Bearbeitung des bearbeiteten Materials (Werkstück) auf das bearbeitete Material ausgestrahlt werden, wobei die Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, verwendet werden. Wenn das bearbeitete Material nicht mit der vorgeschriebenen Menge von Elektronenstrahlen bestrahlt wird und die Menge der Bestrahlung nicht ausreichend oder übermäßig ist, würde die Bearbeitung des bearbeiteten Materials fehlschlagen.
Die folgenden beiden Methoden der Abgabe einer festgelegten Menge von Elektronenstrahlen waren verfügbar. Beide führen Regelungen aus, so dass eine festgelegte Menge von Strom an die ES-Röhre 1 geliefert wird.

[1] Regelmethode, bei welcher der Röhrenstrom gemessen und geregelt wird, damit er konstant bleibt. Dies ist eine Methode, bei welcher der Röhrenstrom (der Strom fließt von der Gleichstrom-Hochspannungs-Stromquelle 2 zur ES-Röhre 1 in 7, angegeben durch die gestrichelte Linie in der Darstellung) durch die Stromermittlungseinheit 5 ermittelt und durch Regelung des Stromes, der durch den Leuchtfaden 1a fließt, geregelt wird, damit er konstant bleibt, wie in 7 gezeigt wird. Dies ist eine Regelung, bei welcher der an die ES-Röhre 1 gelieferte Strom dadurch konstant gehalten wird, dass der Röhrenstrom so lange konstant gehalten wird, wie die Spannung der Gleichstrom-Hochspannungs-Stromquelle 2 konstant ist. Diese Methode wird normalerweise in Röntgenstrahlenröhren verwendet.
[2] Methode, bei welcher der Leuchtfaden-Eingangsstrom konstant gehalten wird. Dies ist eine Methode, bei welcher die Stromeinspeisung in den Leuchtfaden 1a geregelt wird, damit sie konstant bleibt, indem der Strom, der durch den Leuchtfaden 1a fließt, (und die Spannung des Leuchtfadens 1a) geregelt wird. Die Menge der abgegebenen thermo-ionischen Elektronen wird dadurch geregelt, dass der Strom des Leuchtfaden 1a so geregelt wird, dass er konstant bleibt. Genauer gesagt, wird der Röhrenstrom geregelt, damit er konstant bleibt, und der der ES-Röhre 1 zugeführte Strom wird konstant gehalten.

Trotz der oben beschriebenen Regelungsmethoden verändert sich die von der ES-Röhre 1 abgegebene Menge von Elektronenstrahlen sogar, wenn der Röhrenstrom so geregelt wird, dass er konstant bleibt und der ES-Röhre 1 eine festgelegte Menge Strom zugeführt wird, wie in 7 gezeigt wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung glauben, dass die Gründe dafür folgende sind:

[1] Der Leuchtfaden 1a und das Gitter 1b innerhalb der ES-Röhre 1 sind innen so fixiert, dass ihre Positionen sich nicht ändern können. Dennoch ändern sich die Formen des Leuchtfadens 1a und des nahegelegenen Gitters 1b auf Grund der thermischen Ausdehnung, da die Temperatur des erhitzten Leuchtfadens während der Abgabe der thermo-ionischen Elektronen etwa 1900°C erreicht.
[2] Die Form und die Richtung der Elektronenstrahlen verändern sich auf Grund der Auswirkungen der elektrostatischen Aufladung, die sich innerhalb der Röhre entwickelt.

Wie oben erwähnt, umfasst das Fenster 1d, das Elektronenstrahlen außerhalb der ES-Röhre 1 abfängt, eine Reihe von Fenstern, die etwa 1 mm breit sind, von denen jedes in Längsrichtung des Leuchtfadens ausgerichtet ist. Folglich werden Elektronenstrahlen außerhalb des Fensters 1d abgegeben, wenn sich die Form und die Richtung der generierten Elektronenstrahlen innerhalb der ES-Röhre 1 aus den vorgenannten Gründen [1] und [2] verändern, und diese Elektronenstrahlen werden nicht mehr länger abgefangen. Infolgedessen verändert sich die Menge der abgegebenen Elektronenstrahlen.
Daher glauben die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass die Menge der Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, nicht konstant gehalten werden kann, selbst wenn die ES-Röhre 1 so geregelt werden könnte, dass ein konstanter Strom bereitgestellt werden würde.
Daher besteht ein unerfüllter Bedarf an einer Elektronenstrahl-Bestrahlungs-Bearbeitungsvorrichtung und an einer Regelungsmethode dafür, welche die oben angegebenen Nachteile überwindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass die Menge der Elektronenstrahlen so geregelt werden könnte, dass sie konstant bleibt, wenn der Strom, welcher der ES-Röhre 1 zugeführt wird, in der Weise geregelt werden könnte, dass die Menge der Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, konstant wäre, indem diese Elektronenstrahlabgabe von der ES-Röhre 1 gemessen wird. Jedoch war keine Methode für die genaue Messung der Menge von Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, verfügbar. Insbesondere verändern sich in Folge der Elektronenstrahl-Bestrahlung die atmosphärischen Gase zu Plasma, woraus sich ein sekundärer Elektronenausstoß aus dem bearbeiteten Material, aus dem Werkstück-Gestell, auf welches das bearbeitete Material gelegt ist, und aus der Wand der Bearbeitungskammer etc. ergibt. Aus diesen Gründen konnte die Menge der Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, infolge der Auswirkungen der schwebenden Ladung, die den vorher beschriebenen sekundären Elektronen zuzuschreiben ist, nicht genau und stabil ermittelt werden, selbst wenn ein Sensor und dergleichen neben dem Fenster 1d der ES-Röhre 1 angeordnet wurde, um die Menge der Elektronenstahlen zu ermitteln.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der Schwierigkeiten in Verbindung mit der herkömmlichen Technik, wie sie vorher und oben behandelt wurde, entwickelt. In diesem Zusammenhang ist es die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektronenstrahl-Mess-Methode bereitzustellen, die geeignet ist, die Menge der Elektronenstrahlen, die von einer Elektronenstrahlröhre an das bearbeitete Material abgegeben werden, genau zu messen. Die zweite Aufgabe ist es, eine Elektronenstrahl-Bestrahlungs-Bearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, die Menge der Elektronenstrahlen, die auf bearbeitetes Material ausgestrahlt wird, zu regeln und konstant zu halten, indem die Menge der Elektronenstrahlen, die von einer Elektronenstrahlröhre abgegeben werden, geregelt und konstant gehalten wird.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten Aufgaben erreicht durch:

(1) Eine Methode, die Menge der Elektronenstrahlen zu messen, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird.
(2) Eine Elektronenstrahl-Bestrahlungs-Bearbeitungsvorrichtung, wie sie in Anspruch 7 beansprucht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Stromermittlungseinheit, die einen Leiter oder Halbleiter umfasst, die mit einem isolierenden Film bedeckt sind, angeordnet, wie in den oben genannten Ansprüchen erwähnt. Der vorgenannte isolierende Film bildet eine Energie-Barriere, und die Menge der Elektronenstrahlen, die von der Elektronenstrahlröhre ausgestrahlt werden, kann durch Messen des Stroms, der durch die Stromermittlungseinheit fließt, gemessen werden. Folglich kann die Erzeugung von Strom durch Auffangen der schwebenden Ladung (d. h. des oben genannte sekundären Elektronenausstoßes) durch den vorgenannten Leiter oder Halbleiter verhindert werden. Aus diesem Grund kann der Strom, der nur aus der Elektronenabgabe, die von der Elektronenstrahlröhre erzeugt wird, entsteht, ermittelt werden, und die Elektronenstrahlenabgabe aus der Elektronenstrahlenröhre kann genau gemessen werden.
Des Weiteren kann die Menge der Elektronenstrahlen, die aus einer Elektronenstrahlröhre abgegeben wird, geregelt werden, ohne von einer schwebenden Ladung beeinflusst zu werden. Die Menge der Elektronenstrahlen, die aus der Elektronenstrahlröhre an eine Elektronenstrahl-Bestrahlungs-Bearbeitungsvorrichtung abgegeben wird, kann durch die Anwendung der vorgenannten Methode der Messung der Menge von Elektronenstrahlen geregelt werden. Außerdem kann ein festgelegter Wert von Elektronenstahlen stabil abgegeben werden, selbst wenn sich die Form oder die Richtung der Elektronenstrahlen innerhalb der Elektronenstrahlenröhre ändern sollte.
Aus diesem Grund konnte bearbeitetes Material mit einer festgelegten, vorgeschriebenen Menge von Elektronenstrahlen bestrahlt werden, und ein Verarbeitungsfehler wegen unzureichender oder übermäßiger Bestrahlung konnte verhindert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Regelungsvorrichtung einer Elektronenstrahlröhre zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Anordnung einer Stromermittlungseinheit gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung, die die Anordnung eines Schaltkreises zeigt, der während des Experimentierens mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 ist ein Diagramm, das den Strom darstellt, der mit einem unbeschichteten rostfreien Draht und einem keramisch beschichteten Draht gemessen wurde.
5 ist ein Diagramm, das den Output zeigt, wenn der Strom einer ES-Röhre durch Messen der Menge von Elektronenstrahlen unter Verwendung einer Elektronenstrahlmengen-Messung geregelt wird, und wenn der Strom einer ES-Röhre durch Ermitteln des Röhrenstroms geregelt wird.
6 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Anordnung eines Regelungssystems einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt, wenn eine Vielzahl von ES-Röhren verwendet wird.
7 ist eine schematische Darstellung, die einen annähernd gleichen Aufbau einer ES-Röhre mit einem Fenster und ihrem Stromquellenschaltkreis aus dem Stand der Technik zeigt.
8 ist eine schematische Darstellung, welche die Anordnung des Fensters einer ES-Röhre aus dem Stand der Technik zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Die ES-Röhre 1 besitzt einen Leuchtfaden 1a und ein Gitter 1b, die dort im Inneren angeordnet sind, genauso wie in der vorgenannten ES-Röhre aus dem Stand der Technik in 7. Dem Leuchtfaden 1a und dem Gitter 1b wird von der Gleichstrom-Hochspannungs-Stromquelle 2 Hochspannung von beispielsweise 30 bis 70 kV zugeführt. Außerdem ist die Leuchtfaden-Stromquelle 3 über einen Anschluss 1f mit dem Leuchtfaden 1a verbunden, und der Leuchtfaden 1a wird von Strom, der von der Leuchtfaden-Stromquelle geliefert wird, erhitzt, wodurch thermoionische Elektronen abgestrahlt werden. Die abgestrahlten Elektronen werden durch ein elektrisches Feld, das durch das Gitter 1b erzeugt wird, strahlenförmig angeordnet. Des Weiteren ist die Gitter-Stromquelle 4 über einen Anschluss 1f mit dem Gitter 1b verbunden, und die Abstrahlung thermoionischer Elektronen kann durch die Regelung der Spannung, die dem Gitter 1b zugeführt wird, ge regelt werden. Die geformten Elektronenstrahlen werden durch das Fenster 1d abgegeben, das im Flansch 1c außerhalb der ES-Röhre 1 angeordnet ist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die vorliegende Erfindung mit einer Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 ausgestattet, die eine Stromermittlungseinheit 11a enthält, die in der Nähe der Außenseite des Fensters 1d (Abstand von etwa 5 mm vom Fenster) der ES-Röhre 1 angebracht ist. Die Stromermittlungseinheit 11a umfasst einen Leiter wie zum Beispiel rostfreien Stahl, Kupfer, Aluminium oder Halbleiter wie Silicium, Germanium, gemischte Halbleiter. Die Strommesseinheit 11b umfasst einen Strommesser, der den ermittelten Strom misst, und einen Strom-Spannungs-Wandler.
Ein Teil der Elektronenstrahlen, die vom Fenster 1d der ES-Röhre 1 abgegeben werden, wird von der Stromermittlungseinheit 11a abgefangen. Die abgefangenen Elektronen laufen durch die Stromermittlungseinheit 11a und erzeugen Strom. Der erzeugte Strom wird von der Strommesseinheit 11b gemessen, wird in ein Spannungssignal umgewandelt, das den gemessenen Strom zeigt, und wird dann zur Regeleinheit 12 geleitet.
Die Regeleinheit 12 vergleicht den vorgenannten gemessenen Strom mit einem vorgegebenen Stromwert, der vorab zugeführt worden ist. Wenn der gemessene Strom geringer ist als der vorgegebene Stromwert, wird der Röhrenstrom durch Regelung der Leuchtfaden-Stromquelle 3 erhöht, und der Strom, der an die ES-Röhre 1 geliefert wird, wird erhöht. In gleicher Weise wird der der ES-Röhre 1 zugeführte Strom reduziert, indem der Röhrenstrom durch Regelung der Leuchtfaden-Stromquelle 3 vermindert wird, wenn der gemessene Strom größer ist als der vorgegebene Stromwert.
Auf diese Weise werden die Elektronenstrahlen, die vom Fenster 1d der ES-Röhre 1 abgegeben werden, als Strom ermittelt, und der Strom, der an die ES-Röhre 1 geliefert wird, basiert auf diesem Strom und kann geregelt werden. Diese Regelung erlaubt dadurch eine konstante und stabile Regelung der Menge von Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem die Leuchtfaden-Stromquelle 3 durch die Abgabe der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 geregelt wird. Jedoch wird die Spannung, die dem Gitter 1b zugeführt wird, einer Pulsbreiten-Modulations-Kontrolle unterzogen, wie oben erwähnt, mit dem Ergebnis, dass die Menge der Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben wird, auf diese Weise geregelt wird.
2 ist eine Darstellung, die das Aussehen der vorgenannten Stromermittlungseinheit zeigt. In dieser Darstellung ist die Stromermittlungseinheit 11a aus einer Vielzahl von Leiterdrähten zusammengesetzt, von denen jeder bevorzugt in annähernd rechtwinkliger Richtung bezüglich der Längsrichtung (Richtung der Anordnung des Fensters 1d) nahe jedem Fenster 1d der ES-Röhre 1 angeordnet ist. Selbst wenn die Position der Stromermittlungseinheit 11a sich ein wenig verschieben sollte, würden die Auswirkungen gering gehalten durch die Annahme einer solchen Anordnung, und die Elektronenstrahl-Bestrahlung würde nicht behindert werden.
Wenn Elektronen von der in 2 gezeigte Stromermittlungseinheit 11a aufgefangen werden, fließen die Elektronen durch den Leiter der Stromermittlungseinheit 11a, und die Stärke des Stroms ist proportional zu der Menge der von der Stromermittlungseinheit 11a aufgefangenen Elektronen. Die Richtung des Stroms wird die Richtung, die in der Darstellung gezeigt ist, da der Strom durch das Fangen der Elektronen erzeugt wird.
Die folgenden Maßnahmen sollten vorzugsweise berücksichtigt werden, um den von der Stromermittlungseinheit 11a ermittelten Strom zu stabilisieren.
Die Stromermittlungseinheit 11a sollte vorzugsweise nur die Elektronenstrahlen fangen, die vom Fenster 1d abgegeben werden. Jedoch fließt eine Ladung, die durch Elektronenstrahl-Bestrahlung nahe der Stromermittlungseinheit erzeugt wird, und die Stromermittlungseinheit 11a könnte unerwünschter Weise auch diese Spannung abfangen.
Es wird angenommen, dass die vorgenannte Spannung aus folgenden Gründen erzeugt wird:

[1] Die atmosphärischen Gase haben sich wegen der Elektronenstrahl-Bestrahlung in Plasma verwandelt.
[2] Zusätzliche Elektronen werden von der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 und von dem Werkstück-Gestell, auf welches das bearbeitete Material gelegt ist (nicht dargestellt), wie auch von den Wänden der Bearbeitungskammer, in welcher das Werkstück-Gestell angeordnet ist, abgegeben.

Wenn das bearbeitete Material nicht in der Nähe liegt, würde die schwebende Ladung nahe der Stromermittlungseinheit 11a von der Stromermittlungseinheit 11a abgefangen werden. Umgekehrt würde, wenn das bearbeitete Material in der Nähe liegt, die Spannung zu dem bearbeiteten Material hingezogen werden und nicht von der Stromermittlungseinheit 11a abgefangen werden. Besonders würde die Stärke des Stroms, der von der Strommesseinheit 11b gemessen wird, in Abhängigkeit davon, ob bearbeitetes Material vorhanden ist oder nicht, stark schwanken.
Wie oben gezeigt kann die Menge von Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben wird, nicht genau gemessen werden, und die Menge der Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, kann nicht stabil geregelt werden, wenn nicht die Menge von Elektronenstrahlen auf eine Weise gemessen wird, welche die Folgen der vorgenannten schwebenden Ladung beseitigt.
Gewöhnlich beträgt die von der ES-Röhre 1 abgegebene Elektronenstrahl-Energie einige Dutzend kV, während die Energie der schwebenden Ladung einige Dutzend eV beträgt. Jedoch steigt der Strom, der durch die Stromermittlungseinheit 11a fließt, mit dem Anstieg der vorgenannten schwebenden Ladung an, da die an der Stromermittlungseinheit erzeugte Ladung dieselbe bleibt, wenn die Elektronen gefangen werden, ungeachtet der Stärke der Energie.
Daher ist die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, dass die Stromermittlungseinheit 11a der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 durch Ausnutzen des Unterschieds zwischen der Elektronenstrahl-Energie, die von der vorgenannten ES-Röhre 1 abgegeben wird, und der Stärke der Energie der schwebenden Ladung nur die von der ES-Röhre abgegebenen Elektronen fängt, die eine große Energie besitzen.
Bevorzugt ist die Leiteroberfläche der Stromermittlungseinheit 11a mit einer Isolierung überzogen. Die Art und die Dicke des Überzugs sind so ausgewählt, dass sie eine solche Energie-Barriere bilden, dass mehrere Dutzend keV Elektronen durchgehen, während der Durchgang für mehrere eV Ladung gesperrt ist. Als Isolierung können Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) etc. verwendet werden.
Bei Verwendung von rostfreien Drähten als Stromermittlungseinheit 11a der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 wurden die individuellen Stromwerte mit einem unbeschichteten rostfreien Draht und einem keramisch beschichteten Draht, überzogen mit einem keramischen Film (Al₂O₃ · 15 μm Dicke), gemessen.
3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Versuchsschaltkreises zeigt, der während des Experimentierens mit der vorliegenden Erfindung verwendet wurde. Die Stromermittlungseinheit 11a der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 ist an einer Position 5 mm entfernt vom Fenster 1d der ES-Röhre 1 angeordnet, und das Werkstück W (hier wurde ein Wafer verwendet) ist unterhalb des Fensters 1d der ES-Röhre 1 angeordnet. Der durch die Stromermittlungseinheit 11a fließende Strom wird von der Strommesseinheit 11b gemessen, während sich der Abstand zwischen der ES-Röhre 1 und dem Werkstück W ändert. Das Werkstück W liegt auf dem Werkstück- Gestell (nicht gezeigt), das aus einem Leiter bestehen könnte, und ist geerdet. Der Strom, welcher der ES-Röhre 1 zugeführt wird, beträgt 50 kV · 200 μA, und die Atmosphäre ist Luftdruckluft.
4 ist ein Diagramm, das den vorgenannten, mit einem unbeschichteten rostfreien Draht und einem keramisch-beschichteten Draht gemessenen Strom zeigt. Die Abszisse stellt den Abstand vom Fenster der ES-Röhre zur Oberfläche des Wafers, welcher das Werkstück W ist, dar, während die Ordinate den Strom (μA), der von der Stromermittlungseinheit 11a ermittelt wird, darstellt. Die runden Markierungen stellen den Fall dar, in welchem unbeschichteter Draht als Stromermittlungseinheit 11a verwendet wird, während die quadratischen Markierungen den Fall darstellen, in welchem rostfreier Draht, der mit dem vorgenannten keramischen Film von 15 μm Dicke überzogen ist, als Stromermittlungseinheit verwendet wird.
Der ermittelte Strom nimmt ab, wenn sich der Wafer (Werkstück W) der ES-Röhre 1 nähert. Der Grund dafür scheint, wie oben erwähnt, zu sein, dass die Ladung, die neben der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit fließt, auf dem Wafer abgefangen wird, wenn der Wafer näher kommt.
Andererseits bleibt der ermittelte Strom nahezu unverändert und ist nahezu unabhängig von dem Maß, in dem der Wafer nähergekommen ist, wenn die Stromermittlungseinheit 11a mit Keramik von 15 μm Dicke überzogen ist.
Der keramische Überzugsfilm aus Al₂O₃ von etwa 15 μm Dicke entspricht einer Energie-Barriere von etwa 30 keV. Aus diesem Grund ist die Stromermittlungseinheit 11a in der Lage, den Strom nur aufgrund der Elektronen, die eine Energie von 30 keV oder mehr besitzen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, zu ermitteln, ohne von der Ladung, die nahe der Stromermittlungseinheit 11a schwebt, beeinträchtigt zu werden.
Die vorgenannten Versuche zeigen, dass die Menge der Elektronenstrahlen genau gemessen werden kann, ohne durch die schwebende Ladung beeinträchtigt zu werden, wenn der Leiter der Stromermittlungseinheit 11a mit einer Keramik von 15 μm Dicke überzogen ist. Spezifisch beträgt die schwebende Ladung , wie vorstehend erwähnt, einige Dutzend eV, und ein keramischer Überzug, der dick genug ist, um den Übergang einer schwebenden Ladung von einigen Dutzend eV zu verhindern, kann verwendet werden.
Wie oben gezeigt kann die Menge der Elektronenstrahlen geregelt werden (vorzugsweise ohne durch die schwebende Ladung beeinflusst zu werden) als ein Ergebnis des Aufbaus der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11, des Messens der Menge von Elektronenstrahlen und der Regelung des Stroms der ES-Röhre 1. Zusätzlich kann auch die Schwankung in der Abgabe der ES-Röhre 1 wegen der Auswirkungen der thermischen Ausdehnung, die bedingt ist durch das Erhitzen des Leuchtfadens, und wegen der Auswirkungen der statischen Elektrizität innerhalb der Röhrenwände verhindert werden. Die Menge der von der ES-Röhre 1 abgegebenen Elektronenstrahlen kann so konstant gehalten werden.
5 ist ein Diagramm, das den Output der ES-Röhre 1 zeigt, wenn der Strom der ES-Röhre 1 durch die Messung der Menge von Elektronenstrahlen mittels der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 geregelt wird, wie in 1 gezeigt ist, und den Output, wenn der Strom der ES-Röhre 1 durch Ermittlung des Röhrenstroms geregelt wird, wie in der vorgenannten 7 des Standes der Technik gezeigt ist.
Diese Figur zeigt die Ergebnisse der Messung des Stroms, der durch ein Werkstück fließt, wenn ein Werkstück mit Elektronenstrahlen aus der ES-Röhre bestrahlt wird. Die Abszisse in der Darstellung stellt die abgelaufene Zeit (Minuten) dar, die auf das Einschalten der ES-Röhre folgt, während die Ordinate den Prozentsatz des Outputs aus der ES-Röhre darstellt, wobei die Abgabe aus der ES-Röhre am Beginn des Einschaltens der ES-Röhre gleich 100% gesetzt wird. Des Weiteren stehen die Kreise für den Fall, in welchem der Röhrenstrom so geregelt ist, dass er konstant bleibt, während die Dreiecke für den Fall stehen, in welchem die erfindungsgemäße Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 montiert ist und für die Regelung des Stroms der ES-Röhre 1 verwendet wird.
Wie im Diagramm gezeigt, fällt der Output aus der ES-Röhre ab, nachdem die ES-Röhre angeschaltet wurde, und erreicht nach etwa 14 Minuten 100%, wenn der Röhrenstrom so geregelt ist, dass er konstant bleibt (runde Markierungen im Diagramm). Wie vorher erwähnt, wird angenommen, dass das auf den elektrostatischen Auswirkungen beruht, die aus der Änderung der Form und der Richtung der Elektronenstrahlen und aus der Änderung in der Form des Leuchtfadens und des nahegelegenen Gitters durch die Wärmeausdehnung dieser Bauteile während des Erhitzens des Leuchtfadens als Folge des Einschaltens Beleuchtung der ES-Röhre resultierten.
Im Gegensatz dazu wird der Output aus der ES-Röhre nahezu konstant gehalten, wie im gleichen Diagramm gezeigt ist, wenn der Strom der ES-Röhre durch Montieren und Verwenden der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 (Dreiecke im gleichen Diagramm) geregelt wird.
Wie oben erwähnt, wird die Menge der Elektronenstrahlen, die von der ES-Röhre abgegeben werden, nach dem Einschalten der ES-Röhre sofort konstant gehalten infolge der Regelung des Stroms der ES-Röhre durch die Montage der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11. Folglich kann die Elektronenstrahl-Bestrahlungs-Bearbeitung ohne Zeitverzögerung ausgeführt werden, wodurch der Durchsatz erhöht wird.
Im Übrigen beträgt der Durchmesser der ES-Röhre einige Zentimeter (cm), was die Bearbeitung eines Werkstücks durch Aneinanderreihen einer Vielzahl von ES-Röhren in einer Ebene notwendig macht, wenn ein großes Werkstück bearbeitet wird.
6 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Aufbaus eines Regelsystems zeigt, wenn, wie oben angeführt, eine Vielzahl von ES-Röhren verwendet wird. Jede ES-Röhre 1-1 bis 1-n wird aus der Gleichstrom-Hochspannungs-Stromquelle 2 und aus der Gitter-Stromquelle 4 mit Spannung beaufschlagt, und in jeder ES-Röhre 1 sind Leuchtfade-Stromquelleneinheiten 3-1 bis 3-n angebracht.
Die vorgenannten Elektronenstrahlmengen-Messeinheiten 11 sind in jeder der Vielzahl von ES-Röhren angebracht, wie in 6 gezeigt ist, und ihre Outputs werden an jede Regeleinheit 12-1 bis 12-n abgegeben.
Jede Regeleinheit 12-1 bis 12-n vergleicht den gemessenen Strom, der von der vorgenannten Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 geliefert wird, mit einem vorher eingegebenen Stromwert und regelt die Leuchtfaden-Stromquellen 3-1 bis 3-n in der Weise, dass der Leuchtfadenstrom erhöht wird, wenn der gemessene Stromwert kleiner ist als der vorgegebene Stromwert. Ferner wird der Leuchtfadenstrom vermindert, wenn der gemessene Stromwert größer als der vorgegebene Stromwert ist. Dadurch kann die Menge der Elektronenstrahlen, die von jeder ES-Röhre 1 abgegeben wird, so geregelt werden, dass sie konstant bleibt.
Die Leuchtfaden-Stromquelle 3 wird geregelt, basierend auf der Abgabe der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11, und die Menge der Elektronenstahlen, die von der ES-Röhre 1 abgegeben werden, wird in der oben erklärten Weise geregelt. Jedoch kann auch die Spannung, mit welcher das Gitter 1b der ES-Röhre 1 beaufschlagt wird, in einem Pulsbreiten-Modulator geregelt werden, wodurch die Menge der von der ES-Röhre 1 abgegebenen Elektronenstrahlen geregelt wird. Insbesondere da die ES-Röhre 1 eine EIN/AUS-Regelung der Elektronenstrahlabgabe bewirken kann durch die Regelung der Spannung, die dem Gitter 1b zugeführt wird, kann der von der Elektronenstrahlmengen-Messeinheit 11 gemessene Strom an einen Pulsbreiten-Modulations-Regler abgegeben werden, und ein Puls-Modulations-Signal (PWM-Signal) kann abgegeben werden, das den gemessenen Strom mit dem vorgegebenen Strom abgleicht. Die Spannung, mit der das Gitter 1b der ES- Röhre 1 beaufschlagt wird, würde auf der Basis dieses Outputs geregelt werden. In Folge dessen unterliegt die Menge der von der ES-Röhre abgegebenen Elektronenstrahlen einer Pulsbreiten-Modulations-Regelung, so dass der Durchschnitt der Menge der von der ES-Röhre 1 abgegebenen Elektronenstrahlen ermittelt und so geregelt werden kann, dass er konstant bleibt, genau wie in vorgenannter Ausführungsform.
Wie oben erklärt, können die folgenden Ergebnisse mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden:

[1] Die Menge der Elektronenstrahlen, die von der Elektronenstrahlröhre ausgestrahlt werden, kann dadurch gemessen werden, dass eine Stromermittlungseinheit, die einen mit einem isolierenden Film überzogenen Leiter oder Halbleiter umfasst, an der Außenseite des Fensters einer Elektronenstrahlröhre angeordnet ist, und der Strom, der durch die Stromermittlungseinheit fließt, gemessen wird. Der vorgenannte isolierende Film dient als Energie-Barriere, die verhindert, dass eine schwebende Ladung von dem vorgenannten Leiter abgefangen wird, und die Erzeugung von Strom wird blockiert. In der Folge kann der Strom sicher ermittelt werden, der ausschließlich auf den Elektronen basiert, die von der Elektronenstrahlröhre abgegeben werden, wodurch die genaue Messung der Elektronenstrahlen ermöglicht wird, die von der Elektronenstrahlröhre abgegeben werden.
[2] An der Außenseite des Fensters einer Elektronenstrahlröhre werden eine Stromermittlungseinheit, die einen mit einem isolierenden Film überzogenen Leiter oder Halbleiter umfasst, und eine Messeinheit für die Messung der Elektronenstrahlenmenge, die eine Strommesseinheit umfasst, die den Strom misst, der durch die Stromermittlungseinheit fließt, angeordnet. Die Menge der von der Elektronenstrahlröhre abgegebenen Elektronenstrahlen wird in Abhängigkeit von dem Stromsignal, das durch die vorgenannte Stromermittlungseinheit fließt, geregelt. Folglich kann die Menge der von der Elektronenstrahlröhre abgegebenen Elektronenstrahlen geregelt werden, ohne von der schwebenden Ladung beeinflusst zu werden. Außerdem kann dauerhaft ein konstanter Wert von Elektronenstrahlen abgegeben werden, sogar wenn sich die Form oder Richtung der Elektronenstrahlen innerhalb der Elektronenröhre ändern sollte, da die Menge der von der Elektronenstrahlröhre abgegebenen Elektronenstrahlen ermittelt und geregelt wird.

Gemäß der oben beschriebenen Vorrichtung und Methode der vorliegenden Erfindung kann das bearbeitete Material mit einer festgelegten, vorgeschriebenen Menge von Elektronenstrahlen bestrahlt werden, und ein Verarbeitungsfehler aufgrund von ungenügender oder übermäßiger Bestrahlung kann verhindert werden.

Claims

Verfahren zum Messen der Menge von Elektronenstrahlen, die aus einer Elektronenstrahlröhre (1) mit einem Fenster (1d) auf ein Werkstück (W) ausgestrahlt werden, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Stromermittlungseinheit (11a), die auf der Außenseite des Fensters (1d) der Elektronenstrahlröhre (1) zusätzlich zu dem Werkstück (W) angeordnet ist und die einen Teil der Elektronenstrahlen abfängt, die von dem Fenster (1d) der Elektronenstrahlröhre (1) ausgestrahlt werden, Messen der Menge der von der Elektronenstrahlröhre (1) ausgestrahlten Elektronenstrahlen durch Messen des Stroms, der durch die Stromermittlungseinheit (11a) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromermittlungseinheit (11a) wenigstens einen eines Leiters und eines Halbleiters umfasst, die von einem isolierenden Film bedeckt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt umfasst, die Menge an Elektronenstrahlen, die von der Elektronenstrahlröhre (1) ausgestrahlt werden, auf der Grundlage des gemessenen Stroms, der durch die Stromermittlungseinheit (11a) fließt, zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt des Regelns der Menge an Elektronenstrahlen, die von der Elektronenstrahlröhre (1) ausgestrahlt werden, erreicht wird, indem eine mit der Elektronenstrahlröhre (1) verbundene Stromquelleneinheit (3) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches ferner den Schritt umfasst, den gemessenen Strom, der durch die Stromermittlungseinheit (11a) fließt, mit einem vorgegebenen Stromwert zu vergleichen.
Verfahren nach Anspruch 4, welches weiter den Schritt umfasst, die Ausgangsleistung der Stromquelleneinheit (3), die mit der Elektronenstrahlröhre (1) verbunden ist, zu erhöhen, wenn der gemessene Strom niedriger ist als der vorgegebene Stromwert.
Verfahren nach Anspruch 4, welches weiter den Schritt umfasst, die Ausgangsleistung der Stromquelleneinheit (3), die mit der Elektronenstrahlröhre (1) verbunden ist, zu vermindern, wenn der gemessene Strom größer ist als der vorgegebene Stromwert.
Elektronenstrahlbestrahlungs-Verarbeitungsvorrichtung, welche umfasst: eine Elektronenstrahlröhre (1), die ausgebildet ist, Elektronenstrahlen auszustrahlen, um dadurch ein bearbeitetes Material (W) bei der Bearbeitung des bearbeiteten Materials zu bestrahlen, wobei die Elektronenstrahlröhre (1) ein Fenster (1d) und eine zugehörige Stromquelleneinheit (3) aufweist, die eine Stromquelle für die Elektronenstrahlröhre (1) bereitstellt, eine Stromermittlungseinheit (11a), die außerhalb des Fensters (1d) der Elektronenstrahlröhre (1) zusätzlich zu dem verarbeiteten Material (W) angeordnet ist und ausgebildet ist, einen Teil der Elektronenstrahlen, die von dem Fenster (1d) der Elektronenstrahlröhre (1) ausgesendet werden, abzufangen, und eine Elektronenstrahlmengen-Messeinheit (11), die eine Strommesseinheit (11b) aufweist, die den Strom misst, der durch die Stromermittlungseinheit (11a) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromermittlungseinheit (11a) wenigstens einen eines Leiters und eines Halbleiters aufweist, die mit einem isolierenden Film bedeckt sind, und dadurch, dass die von der Elektronenstrahlröhre (1) abgegebene Menge an Elektronenstrahlen geregelt wird durch Regeln der Stromquelleneinheit (3) als Funktion des Stroms, der durch die Stromermittlungseinheit (11a) fließt.
Elektronenstrahlbestrahlungs-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7, welche weiter eine Regeleinheit (12) umfasst, die ausgebildet ist, um den von der Strommesseinheit (11b) gemessenen Strom mit einem vorgegebenen Stromwert zu vergleichen.
Elektronenstrahlbestrahlungs-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, worin die Regeleinheit (12) weiter ausgebildet ist, um die Ausgangsleistung der Stromquelleneinheit (3) zu erhöhen, wenn der gemessene Strom geringer ist als der vorgegebene Stromwert.
Elektronenstrahlbestrahlungs-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, worin die Regeleinheit (12) weiter ausgebildet ist, um die Ausgangsleistung der Stromquelleneinheit (3) zu vermindern, wenn der gemessene Strom größer ist als der vorgegebene Stromwert.