KR100213462B1 - 단극전하입자의 빔집속 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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하에펠리 에리흐, 베그만 어스
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Abstract

내용없음

Description

단극전하입자의 빔집속 제어 방법 및 장치
제1도는 종래의 기술에 의한 빔 및 자속밀도 자기장의 공간적 배치 및 그 작용방식을 도시한 도면.
제2도는 제1도와 유사한 도면으로서, 본 발명에 의한 방법을 도시한 도면.
제3도는 제2도에 따라 X방향으로의 자지장을 고려하여 본 발명에 따라 양호한 방식으로 변조되는 자속밀도자기장관계를 도시한 도면.
제4도는 본 발명에 따른 제1극성 관계로 서로 직각으로 되어있는 2개의 자속밀도자기장을 생성시키기 위한, 제2도에 따른 관계를 개략적으로 도시한 도면.
제5도는 제4도에 유사한 도면으로서, 본 발명에 의한 제2극성관계에 놓여있는 자기장을 도시한 도면.
제6a도는 예를들어, 제4도에 따른 자기장에 의하여 빔의 집속(focusing)변동으로 제2도에 따른 관계에 대해 상당히 편향된 빔에 대한 개략도.
제6b도 집속의 변동에 따라 제2도에서 y방향으로 변하는 관계로, 제6a도에 도시한 넓은 각도로 편향된 빔의 도시도.
제7도는 빔전파 방향으로 시프트된 직교 자속밀도자기장의 개략적인 배치도.
제8도는 제2도 내지 제6도에 도시한 관계를 실현하기 위한 본 발명의 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
제9도는 제8도와 유사한 도면으로서, 제6a도 및 제6b도에 도시한 것과 유사한 편향관계를 만들어내도록 광범위한 빔 편향 자기장을 제공한 시스템도.
제10도는 제4도에 도시한 것과 유사한 자기장관계를 만들어 내기 위한 제8도 또는 제9도에 도시한 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
제11도는 제7도에 도시한 바와 같이 자기장이 축방향으로 옮겨갈 때, 제4도 및 제5도에 의한 직교 집속제어자기장을 생성시키는 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
제12도는 제8도 및 제9도에 의하여 구성된 본 발명에 의한 시스템의 양호한 실시예의 설계를 도시한 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
3, 5 : 다이폴 7, 9 : 전원
27 : 자기차폐 33, 35 : 전자석
37, 39 : 지지물 41 : 빔발생기
본 발명은 특허청구범위 제1항 또는 제15항의 서두에 따른 단극 전하 입자(monopolar charged particles)의 빔, 특히 전자의 빔 집속에 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
단극전하입자의 빔 집속은 자속 밀도를 가진 자기장의 작용에 의해 제어될 수 있는 것으로 공지되어 있다. 이러형의 빔, 특히 전자빔은 예를 들어, 진공코팅장치내에서 물질을 기화시키는데 이용된다. 이때 기화될 물질에 부딛치는 빔의 단면 뿐만 아니라 그 형태 또는 크기 및 그 위치를 제어 방식으로 변동시킬 수 있는 것, 즉 제어방식으로 빔을 집속시킬 뿐만 아니라 이를 제어 방식으로 편향시킬 수 있는 것이 중요하다. 집속을 제어하는 목적, 즉 기화될 물질에 부딛치는 빔의 단면의 형태 또는 크기를 제어하는 목적은 기화될 물질을 균일하게 제거하거나, 기화되는 각종 물질의 많은 서로 다른 열특성을 고려하는 데에 있다.
집속을 자속밀도자기장에 의하여 제어할 시에는, 전자 또는 이온과 같이 움직이는 저하 입자들이 입자의 전하에 비례하고, 또한 입자속도(V) x 자속밀도(B)의 교차적(cross-product)에 비례하는 힘을 상기 자기장내에서 받는다는 사실이다.
미국특허 제4,064,352호로부터 이러한 방법이 공지되어 있다.
이런서류에 의하면, 자극편은 전자빔의 양측을 따라 연장해 있고, 그 사이에서는 자석에 의하여 주로 균질자기장이 생기게 된다.
내부 돌출자기코어 사이의 좁은 에어-갭에는 자기장이 불균질적으로 되어있다.
그외에도, 독일특허 제 27 19 725호에서도 본질상 플랫(flat)빔에 대한 전자기 빔 집속법을 기술하고 있는 바, 여기에서도 원칙적으로 4극시스템에 따라 빔전파방향에 수직인 평면에에는 에워싼 장방향의 프레임 코어가 제공되어 있고, 이런 코어의 부분 위에는 권선어레이(winding arrays)가 제공되어 있다. 집속을 제어하는 반평행(antiparallel)자기장은 플랫 빔의 연장에 대응하는 식으로 소정의 간격만큼 연장한다. 조절할 수 있는 빔 편향시스템에서와 같이 빔을 시프트할 준비가 되어 있지 않다.
본 발명은 전술한 형의 방법 및 장치를 제공하는 것으로서, 이에 의하여 소정의 한계(limits)내의 한 방향으로 집속을 가로 방향의 빔의 위치와는 관계없이 조절할수 있거나, 조절된 집속이 지시된 가로 방향으로 빔을 시프트할시에 영향을 받지 않는다.
본 발명과 관련하여 특히 관심을 끄는 것은 권선이다.
이로부터 대향 자기코어로 지향된 자기장 벡터의 성분이 가로 방향의 전자 빔에 편향 효과를 주고, 전자석이 없어도, 서로 대향하여 있는 코어쌍 사이의 자기장의 해당 자기장벡터의 가로성분이 서로 반대작용을 한다는 것을 알게된다.
전자석장치를 이용하여 코어의 한 쌍 사이에 있는 에어 갭내의 자기장이 강화되고, 다른 코어쌍 사이의 에어 갭내의 자기장을 동일 범위까지 약해질 경우, 한 코어에서 다른 코어로 지향된 편향 자기장 성분은 코어쌍의 2개의 에어 갭 사이에 있는 대칭평면과 같은 한 좌표상에서 일정하며, 그때, 자기장 강도의 변화에도 불구하고, 전자 빔은 코어에서 코어로의 방향의 편향 자기장 성분, 즉 이상적인 경우이지만, 전자 빔의 가로 범위가 무시될시에 코어의 쌍에 의해 영향을 받지 않는다. 다른 경우에는 전자에 작용하는 편향력이 전자의 좌, 우측에서 서로 다르고, 이로 인하여 가장 큰 전자밀도의 포인트는 빔에 걸쳐 시프트하는데, 이는 가로 방향의 빔편향의 변화 및 이런 방향으로 집속되는 식의 변호의 정도가 동일하다. 전술한 서류에서는 이러한 효과가 무시된다.
전술한 바와 같이 자기장이 변화될 시, 코어쌍 방향으로의 성분 변화는 빔에 영향을 주지 않는다. 가로 방향의 자기장벡터 성분의 변화를 이용한다. 예를 들면, 코어의 한쌍의 에어 갭내에서는 자기장이 강하되지만 다른 코어쌍의 다른 에어갭내에서는 자기장이 약해질 경우, 제1에어 갭내의 가로벡터성분은 우세해진다.
이는 전자 빔의 양측면상에서 가로 방향으로 벡터 성분이 생기게하며, 이런 벡터 성분은 서로 평행하면서 반대 방향을 갖는다. 이는 전자 빔의 집속이 코어 쌍 방향에서 영향을 받게 한다.
바로 앞서 기술된 장치에 의하면, 편향을 동시에 변화시키지 않고 빔의 집속을 조정하는 것은 불가능하다. 이와 마찬가지로, 집속 제어 자기장을 재조정하지 않고 집속 효과에 대하여 빔의 위치를 가로 방향으로 변화시키지 못한다.
본 발명의 목적은 본질적으로 빔의 편향에 영향을 주지 않는 집속 제어 방법을 제공하는 것이다. 그런 방법으로, 편향과는 관계없이 전자 광시스템 내의 집속을 변조시킬 수 있다. 제어는 직접적이고, 고도의 효율로 집속에 작용하도록 의도되며, 이는 넓은 세팅(settings)범위에 걸쳐 집속을 신속히 조정할 수 있다는 것을 의미한다. 이는 특허청구범위 제1항의 특징부에 따라 성취된다.
본 발명에 의한 방법 및 장치와 적당한 변형을 첨부 도면에 의하여 더 상세히 설면하면 다음과 같다.
제2도는 빔이 통과하는 단면(Q)과 함께 단극 전하 입자(S) 및 가로 방향 평면(E1)의 공간적 배치도이다. 이런 도면은 또한 빔 단계(Q)의 범위가 제어방식으로 변화될 수 있는 방향(R)과, 평면(E1) 및 방향(R)에 수직이고, XYZ좌표에서의 Y축에 대응하는 평면(E2)을 도시하고 있다. 본 발명에 있어서, 평면(E2)의 대향측에는 자속 밀도 자기장(
Figure kpo00002
)이 생기게 되고, 이런 자기장의 코스(courses)는 본질상 서로 평행하게 이루어지고 평면(E2)의 한 측면상에는 자속 밀도 자기장이 한 극성을 갖는 반면에, 다른 측면상에는 자기장이 다른 극성을 갖는다. 본 발명에 의하여 생겨진 2개의 자속밀도자기장(
Figure kpo00003
)의 결과로서, 평면(E2)의 한 측면상에서 빔 단면(Q)내의 표면 전하에 힘(Fy)이 가하여지는 반면에, 이런 평면의 다른 측면에 힘(-Fy)이 가하여짐으로써, 2개의 자속밀도 자기장(
Figure kpo00004
)극성에 따라, 힘은 단면(Q)상에 압축 또는 평창 효과를 갖게 한다.
자기장(
Figure kpo00005
)에 단면(Q)의 x-범위를 따라 곡률(curvature)이 제공되지 않을 정도까지, 단면(Q)내에 전하 캐리어는 x방향으로 힘을 받지 아니하며, 자기장 세기가 변조될 시, 즉 벡터(
Figure kpo00006
)와 그 극성의 값이 조성될 시, y방향으로의 표면전하의 범위가 제어된다. x 방향으로서의 범위가 일정하게 유지되는 때에는 전술한 바와 같이, 적어도 이 영역내에서 자장곡률이 무시할 수 있을 정도로 경미한 경우에는 전하밀도(표면전하)는 단면(Q)을 y방향으로 확정시킴으로써 감소된다.
그러나, 점선으로 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 자속밀도자기장(
Figure kpo00007
)이 단면(Q)의 범위내에서 구부러지면, 도시한 바와 같이, 평면(E2)에 수직인 성분(By,-By)이 생기게 된다. 이에 의하여 이와 같은 경우에, 단면(Q)이 y방향으로 확장될 때 마다, 동시에 x방향 및 그 반대로 압축되는 간단한 관계가 생기게 된다.
그러나, y방향으로의 표면 범위의 변동이 x방향으로서의 그런 변동과 관계없이 행하여지게 하려면, 특허청구범위 제2항에 따른 양호한 변형에서. 적어도 단면(Q)의 범위에 대응하는 영역상에서 2개의 자속밀도자기장(
Figure kpo00008
)의 평행 조건이 충족되어야 한다. 이런 점에서, 자속밀도자기장(
Figure kpo00009
)의 변동을 제어할 때, 이러한 자기장의 y방향 가로성분이 생기지 아니하며, 따라서 단면(Q)내의 전하도 y방향으로만 힘을 받게된다.
집속을 제어할 동안 빔이 편향되는 지의 여부를 평가할 시, 먼저 집속 변동을 빔편향으로서 표시할 수 있을 시에 명확해진다. 빔단면(Q)내의 전하는 힘을 받지 아니하며, 이에 의하여 이러한 전하 또는 이에 대응하는 입자들의 경로는 영향을 받지 아니하고, 여기에서 본 발명에 의하여 생기는 자속밀도자기장(
Figure kpo00010
)이 서로 상쇄된다. 결과적으로, 평면(E1)내에서 순간적으로 생기는 모든 전하의 전하강도의 중심위치가 시프트하는 간단한 상황을 편향으로서 표현할 수 있다. 2개의 자속밀도자기장(
Figure kpo00011
)이 특허청구범위 제3항에 따라 제2평면(E2)의 대향측에 대칭적으로 있고, 이러한 대칭인 자기장이 변동되는 때에도 그대로 유지될 시에 순간적으로 고려되는 단면(Q)내의 전하의 전하강도의 중심 위치는 변동되지 아니한다.
이것을 제3도에 의하여 설명하면 다음과 같다. 제3도에 있어서, 단면(Q)의 범위가 그려진 Y축상에 2개 자속밀도자기장(
Figure kpo00012
)의 실효값(B1, B2)이 놓이게 된다.
이러한 값의 코스는 순전히 정성(定性)식으로 도시되어 있고, 발생된 자기 다이폴(dipole)로 부터 간격이 증가함에 따라 감소하는 곡선이 대응한다. 평면(E2)이 표면전하의 전하 강도의 중심(P)을 통해 면(Q)위에 놓여있고, 이러한 전하강도의 중심(P)이 y방향의 표면 범위가 본 발명에 의한 자속밀도자기장(
Figure kpo00013
)에 의하여 변동될 시에 변동되지 않을 경우, 이러 2개의 자기장(
Figure kpo00014
)은 평면(E2)내에서 서로 상쇄되도록 놓여진다. 그 결과로 생기는 코스는 점선으로 도시하였다. 더욱이, 2개의 자속밀도자기장(
Figure kpo00015
)이 그 값(｜B1｜,｜B2｜)이 점선으로 도시된 바와 같이 평면(E2)에 대칭적으로 놓이고, 이 조건이 자기장이 변동되는 때에도 유지되는 경우에, 자기장이 위치(P)에서 국부적으로 고려된 한 측면성에서 서로 계속 상쇄되고, 평면(E2)의 대향측면상의 표면 전하에 동일한 값의 힘이 작용하기 때문에, 면(Q)내의 전하가 평면(E2)에 대하여 대칭적으로 변동되는 경로를 따라 이동한다. 따라서, 전하 강도의 중심이 위치(P)에 있고, 빔은 편향되지 않는다. 합성력(Fy)의 트로프형(trough-like)분포도는 제3도에 도시하고, 대향극성에 대해서는 점선으로 도시된다.
예를 들면, 전술한 미국특허제 4 064 352호에 의하여 전하 입자의 빔으로서의 전자빔이 진공시스템내에서 곡선경로를 따라 빔발생기로부터 기화대상물로 지향될 수 있는 것으로 공지되어 있다. 몇몇 경우에, 이는 180°이상 270°까지 또는 그 이상으로 행해질 수 있다. 이것을 실현할 수 있게 하기 위하여, 원칙적으로 자속 밀도 자기장에 의하여 빔 경로의 확장부를 따라 힘을 가할 필요가 있다. 이는 편향 함수에 따른 자속 밀도 자기장이 바람직한 상당량의 편향을 성취하도록 빔 발생기에 근접하여 있게 되어야 한다는 것을 의미한다. 그래서, 나타낸 편향형 및 여기에 기술된 제어 집속형을 위하여, 전자 광학 사이즈를 바람직한 조밀도로 감소시키는 경우를 포함하는 많은 경우에, 기화될 물질상의 빔의 조밀한 영역의 위치를 변화시키는 편향 및 조정에 의하여 빔의 집속이 또한 변화되지 않도록 빔의 집속이 제어되는 곳에서 상당히 떨어져 있는 위치에 편향력이 가해지는 포인트를 시프트하는 것은 불가능하다.
제3도에서 알 수 있는 바와 같이. 이런 편향 측정에 의하여 면(Q)의 위치가 변동될시, 이에 대응하는 표면 전하가 본 발명에 의하여 생기는 자기장의 변화 관계내에 들어가게 됨으로써 편향에 의하여 집속의 변동도 생기게 된다. 이러한 요건을 참작하면, 집속관계를 동시에 변동시킴이 없이, 빔을 적어도 한 방향으로 편향시킬 수 있는 경우가 많다. 제2도에서, 이는 본 발명에 따른 절차를 이용하여 쉽게 행해질 수 있다.
본 발명에 의하여 설정되는 2개의 자속밀도자기장(
Figure kpo00016
)에 대하여 제2도에 도시한 조건하에, 본 발명에 따라 y방향으로 제어되는 집속변동에 동시에 영향을 미치게 하지 않고, 빔과 단면(Q)을 x방향으로 시프트시킬 수 있다. 이로부터, 특허청구범위 제4항에 의한 본 발명의 방법의 양호한 다른 실시예는, 자기장 관계가 해당 단면내에서 변화되지 않고, 상기 단면에서 x 또는 -x 방향으로 진행하는 식으로 제2평면의 어느 한 측면상의 자기장이 단면(Q)의 범위보다 더 긴 영역에 걸쳐 일정한 방식으로 존재되는 것으로 되어 있다. 예를 들면, 빔이 큰 각도로 편향되고, 이러한 편향이 평면(E2)내에서 수행될 시, 이는 집속이 본 발명에 따라 조정되기 전에도 성취될 수 있고, 본 발명에 따라 조정된 집속에 어떤 영향을 주지 않고 조밀한 단면의 위치를 변경하도록 변동될 수 있다.
제3도에서 설정된 자속밀도자기장의 값(｜B1｜,｜B2｜)의 코스를 살펴보면, x 방향으로 뻗어있는 골(valley)의 양측에서 상승함에 따라 3차원면이 브래킷(bracket)된다는 것을 알 수 있다.
많은 경우에 있어서, 서로 수직으로 되는 2개의 방향과 같은 다수의 방향으로 서로와 무관하거나, 하나가 다른 하나의 함수로서 제어되게, 즉 제2도에 따라 y 방향 및 x 방향으로 빔의 집속을 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위하여 특허청구범위 제5항에서는 제1평면(E1)과 제2평면(E2)에 수직이고, 방향(R)으로 정렬된 제3평면(E3, 제2도)에 대하여, 제2자속 밀도 자기장은 양측면상에서 대향 극성의 병렬 벡터 성분과, 양호하게는 제3평면에 대칭인 값으로 존재되는 것으로 제안된다. 이런 형의 제2자속밀도자기장은 이미 제2도에 점선으로 도시한 자기장(By, By)에 대응하고, 이런 자기장은 전술한 바와 같이, 제2도에 실선으로 도시한 바와 같은 제1자속밀도자기장(
Figure kpo00017
)이 구부러질 때 생긴다.
제2도에 따라 성분(
Figure kpo00018
)을 가진 제1자속밀도자기장은 제4도에서 평면도형으로 제2도와 유사한 다이어그램으로 입력된다. 성분(
Figure kpo00019
)을 가진 제2자속밀도자기장도 도시된다. 제4도에 도시한 상황에서도 자속밀도자기장(
Figure kpo00020
)의 극성이 하나가 단면(Q)주위를 이동함에 따라 변하게 된다. 이런 식으로, 제4도에 도시한 역(力)관계가 생긴다. 즉, 극성관계가 그대로 유지되는 경우에는 단면(Q)이 한 방향(x 또는 y)으로 압축되거나 확장됨과 동시에 다른 방향(y 또는 x)으로 확장되거나 압축된다. 이와 같은 자기장-극성상태는 면(Q)둘레의 극분포로 부터 알수 있는 바와 같이, 2개의 자기 다이포를 제공함으로써 쉽게 실현될 수 있다.
제5도는 특허청구범위 제5항에 의한 자속밀도자기장의 설정을 도시한 것으로서, 제4도와 유사한 도면이다. 이런 경우에, 자기장이 단면(Q)주변을 이동할 시에, 자속밀도자기장(
Figure kpo00021
내지
Figure kpo00022
)의 극성이 변하지 아니한다. 극성이 이와 같이 구성되어 있을 때에는 도시한 바와 같이, 자기장 성분에 의하여 일으켜진 모든 힘이 외측으로 또는 내측으로 작용하여, 단면(Q)을 중앙대칭적으로 확대시키거나, 압축시킬 수 있다. 이러한 양극성 상태는 도시된 자극으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 2개의 자기 다이폴에 의하여 실현될 수 없다. 이를 위하여는 제7도에 의하여 설명하는 바와 같이, 또다른 준비가 있어야 한다.
제4도 및 제5도에 의한 2개의 극성분포의 성분(
Figure kpo00023
)을 가진 제2자속밀도자기장에 의하여 그 단면(Q)의 변동에 대응하는 빔의 집속만이 x 또는 -x방향으로 영향을 받게 될 경우, 이러한 제2자속밀도자기장을 특허청구범위 제6항에 의하여 y 방향으로 면(Q)의 범위에 대응하는 간격에 걸쳐 평향되게 설정하여야 한다.
특허청구범위 제5항에 명시된 제2자속밀도자기장의 값의 양호한 대칭 패턴에 대하여, 제3도를 기초로 제1자속밀도자기장이 고려된다. 이는 면(Q)내에 순간적으로 놓이는 표면전하의 전하강도의 중심을 유지하는 요구 사항이다.
특허청구범위 제7항에 의하여 제2자속밀도자기장은 또한 제3평면의 어느 한 측면상의 자기장이 단면(Q)의 범위보다 더 긴 영역에 걸쳐 일정하게 되도록 설정되는 경우 제4도 및 제5도에 따라 성분(
Figure kpo00024
)을 가진 제1자속밀도자기장에 의하여 x방향으로의 집속 변동은 단면(Q)을 국부적으로 배치시키는 y 방향으로의 빔편향에 의해 영향을 받지 않는다. 제1자속밀도자기장(
Figure kpo00025
)에 의해 유발된 y 방향으로의 집속은 단면(Q) 또는 x 방향으로의 빔의 시프트에 의하여 영향을 받지 아니하고, 성분(
Figure kpo00026
)을 가진 제2자속밀도자기장에 의하여 실현되는 x 방향으로의 집속은 단면(Q)와 y 방향으로의 빔의 시프트에 의해 영향을 받지 않는 2가지 방법의 결합은 많은 경우에 바람직함으로써, 특히 집속 제어 자지장이 동작중 x 및 y방향으로 편향되는 빔의 작업점에서 더 쉽게 균형을 이룰 수 있게 된다.
제4도에 의한 극성분포는 특정한 응용에 있어서는 상당한 잇점을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 전자빔을 응용하는 많은 경우에 있어서, 한 평면으로 빔을 상당히 편향시키는 것이 통례이다. 제2도에 의한 성분(
Figure kpo00027
)을 가진 제1자속밀도자기장을 본 발명에 의하여 설정하는 때에는 제 6a도에 도시한 바와 같이, 이러한 빔(S)의 편향을 제2평면(E2)으로 일으킨다. 제6b도는 평면(E2) 내에서의 빔(S)의 코스를 도시한 측면도이다. 이와 같은 편향으로 미국특허제 4 064 352 호에 의하여 공지되고, 제6b도의 측면도에 도시된 바와 같이 빔이 압축되는 영역(K)이 통상적으로 형성된다. 이런 형의 압축은 대부분의 경우 편향 평면(E2)에서는 일어나지 않는다.
이러한 관계는 제4도에 의한 방법으로서, 특허청구범위 제8항에 의한 방법에서 최적으로 이용된다. 제4도에 있어서, 제1자속밀도자기장(
Figure kpo00028
)에 의하여 단면(Q)과 y 방향으로의 빔이 확장되면, 제 6a도에서 점선으로 도시한 관계를 얻는다.
이와 동시에, 모든 경우에 있어서, 제1자속밀도자기장과 직접으로 결합되어 있고, 성분(
Figure kpo00029
)을 가진 제2자속밀도자기장에 의하여 단면(Q)을 압축할 수 있다. 이때 제6a도에서 점선으로 도시한 단면(Q')이 생긴다.
제6b도를 보면, 단면(Q)이 x 방향으로 감소될 때, 예를 들면, 압축된 영역(K)은 영역(K'), 즉 빔의 소스 근처로 시프트되는 것을 알게 된다. 이는 빔의 소스에 근접한 집속점의 시프트와 유사하다. 따라서, 목적물, 예를 들면 기화될 물질(M)에서는 x 방향, 특 평면(E2)내에서 반대현상이 일어난다. 즉, 이 방향으로 단면(Q)이 압축될 시 물질(M)상의 조밀한 표면을 압축영역(K')의 시프트로 인하여 확대된다.
제4도에 도시한 극성선택의 잇점을 특히 해당 전자 빔(S)이 90°이상, 특히 180°이상 편향되는 경우에 명백히 드러난다. 즉, 이러한 극성선택에 의하여 제6도에 도시한 면(Z)이 사방으로 확장 또는 압축된다. 그 결과로 생기는 빔의 정성분포는 또한 제6b도에서 점선으로 도시되어 있다. 압축영역의 위치는, 이 위치가 집 속의 조정으로변경되는 작업점을 감지할 시에 본질상 빔발생기와, 빔을 형성하는 데에 사용되는 전자광학 측정법에 의하여 결정된다.
이하에서 설명하는 바와 같이, 제5도에 의한 극성배치중 하나의 선택은 제4도에 도시한 실시예에 있어서, 2개의 자속밀도자기장이 특허청구범위 제9항에 의하여 제1평면(E1)내에 설정되는 경우에, 제1자속밀도자기장(
Figure kpo00030
)과 제2자속밀도자기장(
Figure kpo00031
)이 빔의 축을 따라 오프셋되어 설정됨으로써 실현된다.
제4도 또는 제5도에 도시한 극성배치에서, 제1자속밀도자기장(
Figure kpo00032
)을 제2자속밀도자기장(
Figure kpo00033
)과 관계없이 변조할 수 있을 경우, 제7도 및 특허청구범위 제10항에 의하여 제1자속밀도자기장(
Figure kpo00034
)이 제2자속밀도자기장(
Figure kpo00035
)에 대해 빔(S)의 전파 방향으로 오프셋되게 존재된다. 2개의 자속밀도자기장 사이에는 자기차폐부(SCH)를 제공함으로써, 2개의 자기장이 서로 영향을 주지 아니하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 방법은 제5도에 의한 극성선택에 있어서도 나타나 있다. 이와 같은 배치들은 한편으로는 자기장(
Figure kpo00036
)을, 다른 한편으로는 자기장(
Figure kpo00037
)을 평면(E1)내에서 타임-스태커(time-staggered) 발생으로 구현될 수 있다.
제8도는 집속을 제어하는 본 발명에 의한 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 이장치에는 자석에레이(array)에 의하여 발생된 자속밀도자기장의 벡터성분이 제2도 및 제3도에 의하여 설명한 바와 같이, 생성될 수 있도록 형성된 자석어레이가 포함되어 있다. 양호하게도, 자석어레이는 전자기 시스템으로 형성되는 한쌍의 다이폴(3, 5)로 형성되며, 이는 제각기 제어장치(11)에 의하여 제어되는 전원(7, 9)을 통해 공급된다. 그러나 다이폴(3, 5)은, 서로 다른 작업점을 위한 집속을 조정하게 위하여 영구 자석으로 형성하거나, 영구자석을 포함할 수 있다. 이런 장치에는 단극전하입자의 빔, 특히 전자 빔이 영역(13)을 통해 방사된다. 이를 위해, 제8도에 개략적으로 도시한 빔 발생기(15)의 위치가 빔발생기용 조정 가능한 설치 소자에 의하여 발생기가 다이폴(3, 5)에 대해 한정된 위치에 유지되도록 다이폴(3, 5)로 구성되는 다이폴 어레이에 대해 고정되거나 고정시킬 수 있다. 다이폴(3, 5)과 빔 발생기의 고정설치부는(16)으로 도시되어 있다. 제8도에서 명백히 알 수 있는 바와 같이, 2개의 다이폴(3,5)에 의하여 원칙적으로 제2도에서 설명한 자속밀도자기장의 성분(
Figure kpo00038
)이 발생되고, 제2도에서 빔(S)에 관하여 설명한 바와 같이, 빔(S)의 영역(13)에 관하여 배열된다. 특허청구범위 제14항에 따르면, 본 발명의 양호한 실시예에서는, 상기 성분이 본질상 영역(13)을 통과하는 빔(S)으로 형성된 빔 단면(Q)의 직경과 적어도 동일한 영역에서 평행하는 식으로 제8도에 도시된 평면(E2)의 대향측면상에 자속밀도자기장(
Figure kpo00039
)의 코스을 형상시킬 수 있다. 제8도에서 쉽게 알 수 있는 바와 같이, x 방향에서의 다이폴(3, 5)의 길이가 의도된 영역(13)을 통과하는 빔(S)의 단면(Q)의 x 방향의 범위보다 더 크게 함으로써 간단히 달성한다.
제어장치(11)에 의하여, 빔(S)이 통과하는 영역(13)의 어느 한측면, 즉 평면(E2)의 어느 한 측면상의 자속밀도자기장 성분(
Figure kpo00040
)은 이러한 평면(E2)의 어느 한 측면상의 자속밀도자기장의 값이 서로 대칭적으로 되로록 제어한다. 이에 의하여 제3도에 의한 설명에 따라, 빔 단면(Q)이 제어 자속밀도자기장(
Figure kpo00041
)에 의하여 y 방향으로 변경될 시, 면(Q)내에 순간적으로 제공된 표면 전하의 전하 강도의 중심이 변동되지 아니하게 할 수 있다. 이러한 조건을 충족시키는 자속밀도자기장(
Figure kpo00042
)의 제어는 평면(E1)에대해 2개의 자기 다이폴(3, 5)의 기하학적 배열 함수로서 수행되는 데, 빔(S)의 단면(Q)이 전원(7, 9)에 의하여 발생되는 전류의 적당한 선택 또는 제어에 의하여 효율적으로 조정될 수 있다.
다이폴(3, 5)에 의하여 영역(13)을 통과하는 빔의 빔단면(Q)의 y 방향의 제어를 x 방향에서 보아 비교적 큰 구간에 걸쳐 x 방향으로의 빔(S)의 위치와 관계없이 달성하기 위하여, 2개의 다이폴(3, 5)로 구성된 자기장장치는 자속밀도자기장(
Figure kpo00043
)의 코스가 빔(S)의 단면(Q)의 범위보다 더 긴 영역에 걸쳐 제2평면(E2)의 어느 한 측면상에서 일정하도록 배열된다. 이것은 x 방향으로의 자기 다이폴(3, 5)의 긴 범위에 의하여 실현된다.
다수의 자속밀도자기장의 3차원 중첩에 의하여 제2도에 따른 자속밀도자기장의 코스를 생성시킬 수 있더라도, 제8도에 도시한 바와 같이, 제2평면에 대하여 평행으로 배치되어 있는 2개의 자기 다이폴, 즉 다이폴(3, 5)을 가진 자석의 어레이에 의하여 상기 자기장을 발생시키는 것이 바람직하다. 이러한 2개의 다이폴은 초기에 평면(E1)내에 놓일 필요가 없고, 평면(E2)에 대하여 대칭적으로 배치할 필요도 없다. 유효 범위, 즉 평면(E1, E2)사이의 교차 영역에 대한 2개의 다이폴(3, 5)의 기하학적 상대위치는 광범위하게 자유로이 선택될 수 있고, 자속밀도자기장이 자석어레이의 전기적 변조에 의하여 본 발명에 따라 유효 영역내에 바람직하게 구성할 수 있게 한다.
그럼에도 불구하고, 어떤 경우에 복잡한 공간적 자기장중첩을 참작할 필요가 있다. 구조에 관련된 경계 조건과 같은 다른 이유가 필요치 않을 경우에는 특허청구범위 제18항에 의하여 2개의 자기 다이폴을 제8도에 도시한 바와 같이, 제1평면(E1)내에 설정한다. 그때 자기장관계는 명백하고, 논리적이다. 그러나, 이런 경우에서 조차도 2개의 디이폴(3, 5)은 반드시 제2평면(E2)에 대칭적으로 배치할 필요는 없으며, 비대칭은 전원(7, 9) 또는전자석의 적당한 비대칭 변조 또는 비대칭 권선의 의하여 보상될 수 있다는 것은 명백하다. 더욱이, 빔발생기(15)에 대해 설계에 관련된 어떤 다른 경계 조건이없지 않을 경우, 특허청구범위 제19항에 의하여, 제8도에 도시한 바와 같이, 제2평면에 대하여 대칭으로 제1평면내에 놓인 자기 다이폴을 양호하게 설정할 수 있다.
제9도에서는 제8도에 도시한 장치의 주요부분을 다시 도시하였다. 전술한 바와 같이, 2개의 다이폴(3, 5)에 의하여 본 발명에 따라 성취되는 y방향으로의 빔의 제어는 다이폴의 설계, 특히 x 방향으로의 그 길이에 의존하고 x 방향으로의 빔의 위치와는 거의 무관하다. 예를 들면, 미국특허제 4 064 352호 또는 제3 420 977호에 의하여 공지된 바와 같이, 제9도의 빔 발생기(15)를 이탈한 직후에, 상당히 짧은 구간내에서 빔의 목표물에 전달하기 위하여 편향력을 빔에 가하여야 하는 그런 범위까지 빔이 강하게 편향되는 경우에는 이러한 편향을 특허청구범위 제20항에 의하여 제2평면내에서 행하는 것이 바람직하다.
이는 제9도에서 설명되는 데, 여기에서는 미국특허 제 3 420 977호에 의한 편향 장치가 제9도에 도시된 바와 같이 y 방향으로 연장하는 편향 자속밀도자기장(Bu)을 발생시킨다. 이에 의하여, 점선으로 도시한 바와 같이, 빔(S)은 점진적범위까지 편향되고, 270°이상으로 편향될 수 있다. 편향 자기장(Bu)을 발생시키는 이러한 편향장치가 빔이 필요에 따라 최대한으로 짧은 구간내에서 편향될 수 있도록 발생기(15)를 떠난 직후에 유효하기 때문에, 본 발명에 따른 집속제어가 이용될 시, 특히, 빔을 목표물에 시프트하도록 편향이 변조될 시에도 x 방향으로 빔(S)의 시프트를 촉진시킬 필요가 있다.
본 발명에 의하여 성취되는 x 방향으로의 집속제어가 이런 방향으로의 빔의 위치와는 관계가 없기 때문에, 편향은 양호하게도 평면(E2)내에서 수행된다.
전술한 제1자속밀도자기장(
Figure kpo00044
)에 추가하여 이에 수직으로 제2자속밀도자기장(
Figure kpo00045
)을 설정하는 것에 관하여는 제4도, 제5도 및 제6도에 의하여 이미 설명하였다.
제10도는 제8도 또는 제9도에 도시한 2개의 다이폴(3, 5)의 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. y 방향으로서의 2개의 다이폴(3, 5) 사이의 간격과 x 방향으로의 그 길이에 따라, 단면(Q)을 가진 빔 통과영역(13)에 작용하는 자속밀도 자기장(
Figure kpo00046
)이 제4도에 개략적으로 도시된 바와 같이 생긴다. 따라서, 다이폴(3, 5)을 가진 시스템의 적당한 치수 설정으로 제4도에 도시한 자속밀도 자기장의 구성을 제4도에 도시한 자기장 극성에 의하여 직접 달성할 수 있고, Q 의 단면 사이즈 변동에 대한 목표면 사이즈 변동을 전환하는 잇점이 획득된다.
그래서, 제6도를 기초로 하여 전술된 바와 같이, 상기 시스템은, 빔이 전파하는 방향으로 적어도 하나의 압축된 영역을 생성시키는 (빔을 구성하는 입자형에 따른)전자광학 시스템과 같은 빔 발생장치를 포함할 시에, 제8도, 제9도 또는 제10도에 도시한 바와 같은 자석 어레이, 제9도에 도시한 편향장치와, 다이폴(3,5)을 가진 자석 어레이에 의해 성취된 자속밀도 자기장(
Figure kpo00047
내지
Figure kpo00048
)의 범위 근처의 단면의 변동이 제6도에서 상세히 설명된 바와 같이 적어도 한 방향으로 빔 목표면의 직경 변동에 역효과를 주는 식의로의 공지된 설계의 빔 발생기를 조정할 수 있다. 이는 제 6b도에 의한 압축영역을 생성시키는 편향장치 및 빔 발생기의 경우에 제10도에 따른 시스템에 의해 성취된다.
제11도는 자속밀도(
Figure kpo00049
)와 이에 수직인 또다른 자속밀도(
Figure kpo00050
)를 상호 독립적으로 변조시킬 수 있게 하는 자석 어레이를 개략적으로 도시한 것이다. 이를 위하여 빔(S)의 전파방향으로 2개의 다이폴(3, 5)이 제공되어 있고, 빔 전파방향으로의 소정의 오프셋에 따라, 다이폴(3, 5)에 수직인 부가적인 다이폴(23, 25)이 제공된다.
이런 부가적인 다이폴은 제4도 또는 제5도에 따른 자속밀도 자기장(
Figure kpo00051
)을 변조시킨다. 빔의 관통 개구(29)를 가진 자기 차폐물(27)의 준비를 통하여, 서로 독립적으로 변조될 2개의 자속밀도 자기장(
Figure kpo00052
및
Figure kpo00053
)이 서로 완전히 분리된다.
이러한 방법으로, 서로 독립적으로 x 방향 및 y 방향으로의 집속에 의하여 빔을 제어할 수 있다. 참조번호(16)로 개략적으로 도시한 바와 같이 2쌍의 다이폴(3, 5 및 23, 25)은 빔에 의도된 영역에 대하여 적소에 고정되어 있다.
제12도는 본 발명에 의한 시스템의 양호한 설계를 개략적으로 도시한 것이다. 제8도, 제9도 또는 제10도에 도시한 다이폴(3, 5)에 대응하는 2개의 전자석(33, 35)은 서로 평행으로 제각기 치크형(cheek-like) 지지물(37,39)내에 매설되어 있다. 이러한 지지물(37,39)은 적어도 전자석(33,35)의 영역내에서 비강자성재로 형성되어 있으나, 효율적으로 냉각될 수 있도록 여러 가지 금속부재, 특히 구리와 스테인레스강으로된 부재로 구성되어 있다.
개략적으로 도시된 방법으로 지지물(37,39) 사이의 중간에서 빔(S), 특히 전자빔을 방출하는 빔 발생기(41)용 지지 시스템이 제공되어 있다. 자속밀도자기장(
Figure kpo00054
)에 따른 자기장 구성은 가로방향 자기장(
Figure kpo00055
)의 효과와 같이 제12도의 예로서 도시되어 있다.
본 발명에 의한 장치 또는 방법에 의하여, 빔이 약 270°만큼 편향될 시에도 1:10의 범위, 예를 들어 5mm 의 집속점 직경에서 50mm 의 집속점 직경까지의 범위에 걸쳐 목표물상의 빔의 단면 범위를 조정할 수 있다. 이는 1㎑ 까지의 조정 주파수로 동적으로 성취된다. 따라서, 바람직하다면 빔의 집속을 펄스시킬 수 있다.

Claims (32)

  1. 단극전하입자의 빔(S) 특히 전자빔의 집속제어방법으로서, 상기 빔은 빔의 축(Z)에 수직이고, 빔 단면(Q)를 가진 제1 평면(E1)을 통과하고, 상기 축을 포함하며, 제2평면(E2)의 영역에서 자기장선의 주 벡터성분이 제2평면과 평행하고, 2개의 자속밀도 자기장(B1, B2)이 대향극성을 갖는 식으로 2개의 자속밀도 자기장(
    Figure kpo00056
    )은 빔의 축(Z)을 포함하는 제2평면(E2)의 대향측상에 존재되고, 빔 단면(Q)의 범위는 2개의 자기장의 제어에 의해 제2평면(E2)에 수직인 방향(Y)으로 변동되는 빔의 집속제어방법에 있어서, 상기 2대의 자속밀도 자기장(
    Figure kpo00057
    )은 제2평면(E2)에 평행한 빔단면(Q)의 범위보다 더 큰 구간에 걸쳐 서로 평행한 자가장선으로 발생되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 자속밀도자기장(
    Figure kpo00058
    )은 제2평면(E2)에 대한 대칭값을 가지며, 이런 대칭은 자기장(
    Figure kpo00059
    )의 제어변동 동안에 유지되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 자기장(
    Figure kpo00060
    )은 단면(Q)의 범위보다 더 긴 영역에 걸쳐 제2평면(E2)의 대향 측면상에 일정하게 존재되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 제3평면(E3)에 관하여, 제1평면(E1) 및 제2평면(E2)에 수직인 제3평면에 대하여, 2개의 부가적인 자속밀도자기장(
    Figure kpo00061
    )은 대향측면상에 존재되고, 반대 극성의 병렬 벡터성분, 특히 제3평면(E3)에 대한 대칭값을 가지는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  5. 제4항에 있어서, 부가적인 자속밀도자기장의 자기장 코스는 빔단면(Q)의 영역내에서 단면의 범위에 대응하는 길이에 걸쳐 제3평면의 대향측상에 평행하게 설정되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  6. 제4항에 있어서, 제3평면의 대향측상의 자기장은 단면의 범위보다 더 긴 영역에 걸쳐 일정하게 존재되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  7. 제4항 내지 제6항중 한 항에 있어서, 부가적인 자기장(
    Figure kpo00062
    )은 자기장벡터(B1, B2, B3, B4)의 극성이 제1평면(E1)을 통하여 단면(Q) 주변을 통과할 시에 교번하는 식으로 존재되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  8. 제4항 내지 제6항중 한 항에 있어서, 부가적인 자속밀도 자기장(
    Figure kpo00063
    )은 제1평면(E1)내에 존재되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  9. 제4항 내지 제6항중 한 항에 있어서, 2개의 자속밀도자기장(
    Figure kpo00064
    )과 2개의 부가적인 자속밀도자기장(
    Figure kpo00065
    )은 빔 전파방향(Z)으로 오프셋(offset)하게 존재되고, 서로 분리되는, 특히 서로 차폐되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  10. 제1항에 있어서, 단면(Q)이 제어되는 식으로 제1평면(E1)을 통해 시프트될 수 있도록 빔(S)을 편향시킬 경우, 제어된 편향(Bu)은 빔단면(Q)의 2개의 자속밀도 자기장(
    Figure kpo00066
    )의 벡터에 평행하게 시프트되는 식으로 제2평면(E2)내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  11. 제10항에 있어서, 빔은 90°이상, 특히 180°이상 편향되는 것을 특징으로 하는 빔의 접속제어방법.
  12. 제1항에 있어서, 빔 목표면(M)상의 자속밀도 자기장
    Figure kpo00067
    의 작용이 결정됨으로써, 단면(Q)상의 작용에 대하여 빔의 적어도 하나의 압축영역(K)을 공간적으로 결정하여 반전되는 것을 특징으로 하는 빔의 접속제어방법.
  13. 제1항에 있어서, 자기장은 동적으로 변조됨으로써 변동되는 것을 특징으로 하는 빔의 접속제어방법.
  14. 제13항에 있어서, 자기장은 펄스되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어방법.
  15. 빔 통과영역(13)을 가진 단극전하입자의 전자빔의 집속제어장치로서, 제어되는 자석 어레이(array)가 제공됨으로써, 빔단면(Q)의 범위가 빔 단면에 가로로 위치된 평면(E1)을 통해 적어도 하나의 방향(Y)으로 제어되게 변동되며, 자석 어레이에 의하여 2개의 자속밀도 자기장은 제1 평면(E1)에 존재되는데, 이런 자기장은, 대향측상에서와 방향(Y) 및 제1 평면(E1)에 수직인 제2 평면(E2)의 영역에서, 그리고 빔 단면(Q)을 통해 서로 평행하고, 대향극성을 가진 벡터성분을 갖는 빔의 집속제어장치에 있어서, 자석(3, 5, 23, 25, 33, 35)어레이는 제2 평면(E2)영역내에서 서로 평행으로된 자기장선으로 발생되는 자속밀도 자기장
    Figure kpo00068
    이 빔 단면(Q)의 범위보다 더 큰 구간에 걸쳐 제2 평면에 평행하게 되는 식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  16. 제15항에 있어서, 자석시스템은 2개의 평행막대자석으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  17. 제15항에 있어서, 자석 어레이용 제어장치(11)가 제공됨으로써, 자석은 제2 평면(E2)의 어느 한 측면상의 자속밀도 자기장의 값이 상기 평면에 대칭으로 되는 식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  18. 제15항 내지 제17항중 한 항에 있어서, 자석(3, 5, 23, 25, 33, 35)어레이는 제2 평면(E2)의 어느 한 측면상의 자속밀도 자기장
    Figure kpo00069
    의 코스가 단면(Q)의 범위보다 더 긴 영역에 걸쳐 일정하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  19. 제15항 내지 제17항중 한 항에 있어서, 자석 어레이는 제2 평면(E2)에 평행으로 배치된 2개의 자기 다이폴(3, 5, 23, 25, 33, 35)을 갖는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  20. 제19항에 있어서, 제2 개의 자기 다이폴(3, 5, 23, 25, 33, 35)은 제1 평면(E1) 내에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  21. 제20항에 있어서, 제1 평면(E1)내에 놓여있는 자기 다이폴(3, 5, 33, 35)은 제2 평면(E2)에 대하여 대칭적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  22. 제15항에 있어서, 빔(S) 제어 편향장치(Bu)로 상기 편향장치가 제2 평면(E2)내의 빔을 편향시키는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  23. 제15항에 있어서, 자석 시스템은 제2 평면(E2)에 수직이고, 빔(S)을 위한 영역(13)의 어느 한 측면상에서 대향극성을 가진 부가적인 자속밀도자기장
    Figure kpo00070
    을 발생시키는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 빔 전파방향으로 빔(S)의 적어도 하나의 압축영역(K)을 생성시키는 전자광학시스템 방식으로 빔을 발생시키는 장치로, 자석(3, 5, 23, 25, 33, 35) 어레이 및 장치(Bu)는 자석 어레이에 의해 발생된 자속밀도 자기장
    Figure kpo00071
    의 영향범위내의 단면의 변동이 적어도 한 방향(X)으로 빔 목표면의 직경에 역효과는 주는 식으로 조정되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  25. 제15항에 있어서, 자석 어레이는 2개의 자기 다이폴(3,5,33,35)을 갖는데, 상기 다이폴의 각각은 일정한 간격을 두고 유지되는 2개의 지지물(37, 39)내에 배치되어 있으며, 빔 영역은 지지물(37, 39)사이로 통과하는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  26. 제15항에 있어서, 위치설정 및 고정시스템은 빔 발생기(15, 41)에 제공됨으로써, 발생된 빔(S)이 미리 정해진 영역(13)을 통과하는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  27. 제25항에 있어서, 지지물(37, 39)이 다이폴(33, 35)영역내에서는 주로 비강자성재로 구성되어 있고, 다이폴은 지지물(37, 39)내에 진공 밀폐적으로 캡슐 봉합되는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  28. 제25항에 있어서, 지지물이 구리 및 스테인레스강과 같은 서로 다른 금속부분으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  29. 제15항에 있어서, 어레이는 영구자석 또는 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔의 집속제어장치.
  30. 제1항 내지 제14항중 한항에 따른 방법 또는 빔을 90°이상 특히, 180°이상 편향시키는 빔 편향 시스템이 달려있는 제15항 내지 제29항중 한 항에 따른 장치의 이용방법.
  31. 제15항 내지 제29항중 한 항에 따른 장치가 달려있는 전자빔 발생기.
  32. 제31항에 따른 전자빔 발생기가 달려있는 진공처리장치.
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