NL8302275A - Electronenstraalapparaat met metaaldraadbron. - Google Patents

Description

* * ·. -« · « ΕΉΝ 10.697 1 N.V. Philips' Glceilanpenfahrieken te Eindhoven.

Electronenstraalapparaat met metaaldraadhron.

De uitvinding heeft betrekking op een electronenstraalapparaat voorzien van een electronenbron met een onder trekspanning over twee ondersteuningen in lengterichting verplaatsbaar/ locaal te verhitten langgerekt thermisch electronenemitterend element.

5 Een dergelijk apparaat is bekend uit US 3.290.540. Een aldaar beschreven apparaat bevat een metaalhard die intermitterend over twee ondersteuningen wordt verplaatst. De band kan uit een metaal, bestaan dat bij voldoende verhitting als zodanig tot electronenemissie kan worden gebracht. Ook kan de band als drager voor een electronen emitterende stof 10 fungeren.

Een dergelijke metaalhard zal voor toepassingen waar een elec-tronenbron met een hoge stroandichtheid en een relatief klein emitterend oppervlak gewenst is,zoals voor bepaalde electronenmicroscopen, electronen bundelschrijvers en dergelijke, niet voldoen. De cpbouw van de bekende 15 electronenbron laat een combinatie van een voldoend klein emitterend oppervlak met een relatief hoge stroandichtheid voor dat emitterend oppervlak niet toe. Een zich tussen de ondersteuningen bevindend gedeelte van de metaalhard zal niet tot een daartoe voldoende hoge temperatuur verhit kunnen worden, en dit zeker niet wanneer de ondersteuningen op een voer 20 het realiseren van een klein emitterend oppervlak, voldoend kleine afstand zouden zijn geplaatst. Ook laat de cpbouw en het voortbewegings-mechanisms van de bekerde electronenbron het niet toe de metaalhard beduidend smaller uit te voeren.

De uitvinding beoogt deze bezwaren te ondervangen en daartoe 25 heeft een electronenstraalapparaat van de in de aanhef genoemde soort tot kenmerk, dat de twee ondersteuningen op een onderlinge afstand van ten hoogste ongeveer 1 mm zijn geplaatst en als tenperatuurbalans bepalende warmte afvoer elementen voor een als metaaldraad uitgevoerde elec-tronenemitter fungeren.

30 Doordat in een electronenstraalapparaat volgens de uitvinding voor een metaaldraadgedeelte dat zich tussen de ondersteuningen bevindt een wanrrtebalans tussen bijvoorbeeld de door een electrische stroon in dat draadgedeelte opgewekte warmte en de door de ondersteuningen af te voeren 8302275 Λ ΕΗΝ 10.697 2 warmte ontstaat, kan ter plaatse een relatief klein emitterend oppervlak net een hoge stroomdichtheid in stand worden gehouden. De metaaldraad wordt hier bij voorkeur net een geringe snelheid, continue voortbewogen en kan door een aangepaste locale warmte afvoer door de ondersteuningen 5 nu ook relatief dun zijn. De warmte afvoer kan zowel plaatsvinden door een hulpstralenbron, zoals een laser of een electronen- respectievelijk ionenbron of door een glee is trooin door de metaaldraad die dan bij voorkeur eveneens via de als koelelementen fungerende ondersteuningen wordt toege-voerd. Glij contacten tussen de metaaldraad en de ondersteuningen tonen 10 een goed warmte contact en, indien de ondersteuningen tevens dienen als glceistroomtoevoer electroden, ook een goede electriscbe geleiding. De ondersteuningen kunnen ter plaatse van de contacten bijvoorbeeld uit zilver bestaan.

In een voorkeursuitvoering, in het bijzonder als aftastelectronen-15 -microscoop of als electronenstraalschij fmachine wordt de metaaldraad gevormd door een wolfraam draad met een diameter van ongeveer 25 ^un. De draad wordt daarbij zodanig verhit dat die centraal tussen de electroden op een temperatuur tot ongeveer 3400 °C, dat wil zeggen tot kort onder de smelttemperatuur wordt gebracht.

2o In een verdere voorkeursuitvoering is in het electronenstraal- apparaat een walsinrichting voor de metaaldraad opgenatien die tevens als goed gedefinieerde kleminrichting voor het aanbrengen van een trekspanning in de draad en voor een goede positionering van de draad ten opzichte van de ondersteuningen fungeert. Met de walsinrichting kan aan de draad, 25 voordat die de ondersteuningen passeert, bijvoorbeeld voorzien worden van twee platte kanten met een breedte van 10-30 ^rni. Hiermede is electronen optisch gezien een beter emissie patroon voor de draad bereikt en is een betere warmte·: en zonodig ook een beter electrisch contact met de ondersteuningen mogelijk.

30 Het walsen van de draad kan voor verschillende toepassingen van de bron achterwege blijven en kan ook in een afzonderlijke walsinrichting worden uitgevoerd. Het is daarbij gunstig een cassette voor de draad te gebruiken die eenvoudig van de walsinrichting in het electronenstraal-apparaat overplaatsbaar is.

35 In een verdere voorkeursuitvoering is voor het opeen een constante emissie temperatuur houden van de metaaldraad een electronische regel-schakeling cpgenomen die bijvoorbeeld met de totale emissies troon van de metaaldraad of met een door een diafragma op te vangen gedeelte daarvan 8302275 ' + PHN 10.697 3 wordt gestuurd. In het bijzonder voor uitvoeringen waarbij de metaaldraad door een gloe is troon wordt verhit kan de electranische regelschake-ling tevens ingericht zijn voer het sturen van een, de electronenbundel bijrichtend magneetveld nabij het emitterende gedeelte van de metaaldraad.

5 Hierdoor warden afwijkingen in de bundelrichting van een te emitteren electronenbundel als gevolg van een door de gloe is troon opgewekt magnetisch veld gecompenseerd.

In een voorkeursuitvoering is het regelmechanisme tevens uitgevoerd voor een intermitterende aktivering van de metaaldraad waardoor een 10 gepulst te bedrijven electronenbron is gerealiseerd.

Aan de hand van de tekening zullen in het navolgende enkele voorkeur suitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven.

In de tekening toont : figuur 1 een schetsmatige weergave van een electronenstraal-15 apparaat volgens de uitvinding in de vorm van een electronenstraal bewerkingsapparaat, figuur 2 een meer gedetailleerde schets van een metaaldraad-kathode daarvoor, figuur 3 een grafische voorstelling van het tenperatuurver-20 loep over de metaaldraad voor verschillende afstanden van de ondersteuningen, en figuur 4 een blokschema van een electrische schakeling voor temperatuurregeling.

* Een electranenstraalapparaat zoals geschetst in figuur 1 bevat 25 een electronenbron 1 met een metaaldraad 2, die door een eerste haspel 3 via steunrollen 4 en 5 over twee ondersteuningen 7 en 8 van een voerraad-haspel 6 wordt afgerold. Het apparaat bevat verder een eerste anode 10, een tweede anode 12, een condensorlens 14, een lenssysteem 16, een dubbel uitgevoerde bundelrichtinrichting 18, een lenssysteem 20 en een burdelaf-30 buiginrichting 22. Met behulp van deze opvolgende eleetranen optische elementen kan een in de electronenbron 1 opgewekte electronenbundel 24 worden gestuurd en gecollimeerd. Met behulp van de bundelafbuiginrichting 22 kan met die bundel in een trefplaat 26, bijvoorbeeld een plak silicium een patroon worden geschreven. Van de electronenbron die in figuur 2 rreer 35 gedetailleerd is weergegeven zijn de ondersteuningen 7 en 8 uitgevoerd uit goed warmte geleidend materiaal bijvoorbeeld messing of zilver. Dwarsdoorsneden 30 en 32 van de ondersteuningen in een vlak evenwijdig met de 2 metaaldraad 2 zijn relatief groot bijvoorbeeld 5 è 10 mm . De order- 8302275 EHN 10.697 4 steuningen zijn aan naar de metaaldraad 2 toegekeerde zijde van nabij de metaaldraad enigermate afgeronde taps toelopende uiteinden 34 en 36 voorzien. zowel voor een goed warmte contact als voor een goede warmte geleiding bestaan de met de metaaldraad contacterende uiteinden van de ondersteu-5 ningen bijvoorbeeld uit zilver. Hierdoor kan tevens tegemoet gekomen worden aan de gewenste erosiebestendigheid van deze contacten. De hier beschreven uitvoering is verder uitgerust met een walsinrichting 38 waarmede een bijvoorbeeld ronde wolfraamdraad met een diameter van 25 jm wordt voorzien van substantieel vlakke zijden met een breedte afmeting van ongeveer 10 -10 30 ^nti welke vlakke zijden dan evenwijdig met de uiteinden 34 en 36 van de ondersteuning verlopen. De walsinrichting 38 verzorgt tevens een goed gedefinieerde inklemming van de draad om daarin door middel van de aangedreven haspel een trekspanning van bijvoorbeeld ongeveer 0.01 newton aan te houden. De tot nabij de sme 1 ttemperatuur verhitte draad laat een 15 beduidend hogere trekspanning niet toe. Anderzijds zal juist door de hoge temperatuur de draad ook nog ter plaatse van de ondersteuningen relatief goed vervormbaar zijn en mede daardoor ook tijdens verplaatsing een goed warmte contact met de ondersteuningen behouden. Voer een nog exactere positionering en verbetering van het warmte contact en de electrische geleiding 20 kunnen de ondersteuningen voor de draad van deze gedeelteijk cmsluitende groeven zijn voorzien. Deze groeven kunnen bijvoorbeeld worden aangebracht door een koude draad net het gewenste profiel gedeeltelijk in de bijvoorbeeld uit zilver bestaande eindgedeelten van de ondersteuningen te drukken. De draad wordt bij voorkeur met een knik 40 over elk van de onder-25 steuningen getrokken waardoor een goed mechanisch contact tussen draad en ondersteuningen wordt bevorderd. Ten einde de draad zo weinig mogelijk te vervormen is de afbuighoek ter plaatse van de knikken relatief klein gehouden.

Door de draad niet als een gesloten loop uit te voeren kan, indien 30 buiten de ondersteuningen dm een direct metallisch contact met het huis van het apparaat is vermeden, worden voorkomen·, dat ook het buiten de ondersteuningen gelegen draadgedeelte stroomvoerend wordt. Isolatie tussen de draad en het huis kan worden gerealiseerd door bij de geleide-rollen 4 en 5, bij de haspels 3 en 6 en eventueel bij de walsinrichting 35 38 een electrische onderbreking in te voeren. Hiertoe is het ter plaatse gebruiken van isolerend temperatuur bestendig materiaal zoals Al^O^ dienstig. In het bijzonder voor de eerst aan de ondersteuningen aangrenzende elementen is dit uiterst gewenst, De opbouw van de electronenbron laat het 8302275 « ♦ PHN 10.697 5 gebruik van een neg dunnere draad, bijvoorbeeld net een diameter van 10 jim, toe. De ondersteuningen kunnen daarbij aangepast dichter bij elkaar, bijvoorbeeld op 0.25 irm worden geplaatst en de gloeistroem of andere energiebron voor het verhitten van de draad kan aan de dwarsdoorsnede en 5 de afstand van de ondersteuningen warden aangepast. Deze aanpassing voor het warmte afvoer vermogen van de ondersteuningen kan ook nu weer een optimale warmtebalans worden ingesteld.

Naast zuivere metaaldraden zoals uit wolfraam of molybdeen kan ook een draad uit legeringen, bijvoorbeeld met rhenium of net toe-10 voegingen zoals bijvoorbeeld thorium of barium in een poreuze draad worden gebruikt.

In figuur 3 is het teraperatuurverloop over de lengterichting van de draad bij verhitting daarvan door middel van een gloeistroem tussen de ondersteuningen weergegeven. In de figuur valt het midden 15 van dat draadgedeelte boven het horizontale aspunt 0. Een kretnne A geeft een situatie veer waarbij, bij een relatief grote afstand 2d van de draadondersteuningen, een middengedeelte van de draai een vrijwel hanogene temperatuur heeft die daarbuiten afvalt tot de temperatuur van de draad ter plaatse van de ondersteuningen 34 en 36. Het draad-20 midden heeft voor een wolfraam draad bijvoorbeeld een temperatuur van 3400 °C terwijl de ondersteuningen een temperatuur van 750 °C hebben.

Bij verkleinen van de afstand tussen de ondersteuningen zal de temperatuur van de draad bij een gegeven draadsoort en een gewenste middentemr peratuur vanaf een zeker afstand tussen de ondersteuningen geen vlak 25 gedeelte neer vertonen. Deze situatie is met een kromme B weergegeven.

Bij nog verder verkleinen van de afstand 2d zal de draad in het midden de gewenste temperatuur niet meer bereiken hetgeen met kromme C is aangegeven. Wördt in die situatie de gloeistroem versterkt, dan zal de gewenste middenterrperatuur weer kunnen worden bereikt en zijn de 30 flanken van de krarme, in de figuren kromme D, steiler, Hierdoor is een kort, dus meer puntvormig emitterend oppervlak gerealiseerd. Bedacht moet hierbij worden, dat de halfwaardebreedte van een, in de lengterichting van de draad gemeten emissie curve, bij een temperatuur van ongeveer 97% van de middentemperatuur ligt en derhalve op zeer geringe 35 afstand van het midden bereikt worden, ne afstand van de ondersteuningen kan tot ongeveer 0,1 rem worden verkleind hetgeen vooral voor toepassing van een relatief dunne draad tot een emitterend oppervlak met een uiterst kleine uitgestrektheid kan leiden.

8302275

* I

PHN 10.697 6

In figuur 4 is een schakelschema voor temperatuurstabilisatie bij verhitten van de draad door middel van een gloeistroom weergegeven. Een dergelijke stabilisatie kan noodzakelijk zijn cm bijvoorbeeld de invloed van variaties in het warmte contact tussen de draad en de onder-5 steuningen op de temperatuur van de draad ter plaatse van het emitterend oppervlak te minimaliseren. Een ingangsklem 50 van de schakeling is aangesloten aan een referentiespanning en een ingangsklem 52 aan de bron-massa. Een, bijvoorbeeld door een electrode 53 opgevangen emissiestrocm loopt via een hoogspanningsbron 54 terug naar de bron 1 en wordt gemeten 10 via een daardoor opgewekte spanningsval over een weerstand 55. Deze spanningsval wordt vergeleken met een referentiespanning die door een instelbare spanningsdeler 56 van de op de klem 50 aangesloten referentiespanning wordt afgeleid. De verschilspanning wordt door een verschil-versterker versterkt en gebruikt on met behulp van een schakelinrichting 15 58 de gloeistroom bij te sturen. Hierbij wordt dus enkel een additionele strocm boven een voor de gewenste temperatuur noodzakelijke minimale stroom voor de stabilisatie gestuurd. In plaats van met de op de electrode 53 vallende totale emissiestrocm wordt in een voorkeursuitvoering de stabilisatie gestuurd door een ter plaatse opgesteld diafragma. Op het 20 diafragma valt dat gedeelte van de emissiestrocm dat in het apparaat niet effectief wordt aangewend. De opening van het diafragma, kan aan de vbrm van het emitterend oppervlak zijn aangepast maar kan ook cirkel-voonig zijn juist cm de niet cirkelvormigheid van het emitterend oppervlak te catpenseren. Een dergelijk diafragma kan ook worden gebruikt 25 voor het bijrichten van de electronenbundel. Hiertoe is het diafragma bijvoorbeeld in twee onderling electrisch geïsoleerde gedeelten opgedeeld. De begrenzing tussen die gedeelten ligt daarbij bij voorkeur in de richting van de metaaldraad ten einde verplaatsingen daarvan, of van de door de draad uit te zenden electronenbundel dwars op die richting 30 bij te sturen. Voor een bijsturing in alle richtingen kan het diafragma in vier segmenten zijn opgedeeld.

Door toevoeging van een electronische schakelaar aan de schakeling kan de bron ook warden ingericht voor een gepulse sturing. Dit kan gunstig zijn bijvoorbeeld voor toepassing van de bron in een bundel-35 electronenschijfmachine omdat de electronenbundel dan direct bij de bron kan worden onderdrukt bijvoorbeeld tijdens overstappen op een nieuw te bestralen punt van een te schrijven chip of master. Een extra bundel-onderdrukker, zoals gebruikelijk in dit soort apparaat is opgencmen, kan 8302275 > » , ^ PHN 10.697 7 dan kanen te vervallen, de bron wordt minder zwaar belast en de kans qp vervuiling van de bron wordt geringer.

De beschreven bijsturing van de bundel met behulp van een diafragma kan ook warden gebruikt voor het bij sturen van de bundel waar 5 deze als gevolg van een door de gloeistroon opgewekt magnetisch veld nabij de draad zou worden afgebogen. Verstoring door dit magnetisch veld kan ook worden vermeden door de gloeidraad met een wisselspanning met een zeer hoge frequentie te voeden. Een wisselstroom voeding voor de draad heeft bovendien als voordeel, dat de twee ondersteuningen meer 10 symmetrisch worden belast. Naast verhitting net een verhittingsstroon door de draad is het ook mogelijk de metaaldraad locaal met een daarop gerichte energie bundel te verhitten zoals met een electronen- of ionenbundel opgewekt in een hulpbron of met een laserstraal. De ondersteuningen hebben dan niet meer de functie van toevoerelectroden maar be-15 houden, zo nodig met enige aanpassing, de functie van warmte afvoer elementen. Veelal zal bij een niet te kleine uitvoering van de uit goed warmte geleidend materiaal bestaande ondersteuningen voldoende warmte kunnen worden af gegeven. Met de positionering van de ondersteuningen en vooral ook met daar nabij op te stellen onderdelen van het apparaat 20 kan het afstralingsvermogen warden beïnvloed. Indien afstraling onvoldoende zou zijn kunnen de constructie van de ondersteuningen zodanig worden uitgevoerd, dat een verhoogde warmte af voer door warmte geleiding wordt gerealiseerd.

25 30 35 8302275

Claims (11)

1. Electronenstraalapparaat voorzien van een electronenbron (1) met een onder trekspanning over twee ondersteuningen in lengterichting verplaatsbaar, locaal te verhitten, langgerekt thermisch electronen-emitterend element (2), met het kenmerk, dat de twee ondersteuningen (7,8) 5 op een onderlinge afstand van ten hoogste ongeveer 1 mm zijn geplaatst en als temperatuur balans bepalende warmte afvoer elementen voor een als metaaldraad uitgevoerde electronen emitter fungeren.

2. Electronenstraalapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de metaaldraad tot nabij de smelttemperatuur daarvan wordt verhit o 10 en onder een trekkracht van ten hoogste ongeveer 100 newton per mm draaddoorsnede wordt voortbewogen.

3. Electronenstraalapparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat aan de metaaldraad voor het passeren van de ondersteuningen een afgevlakt profiel wordt gegeven.

4. Electronenstraalapparaat volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat in het apparaat nabij de ondersteuningen een walsinrichting (38) voor de metaaldraad is opgencmen.

5. Electronenstraalapparaat volgens conclusie 2, net het kenmerk, dat een externe walsinrichting is uitgerust met een eenvoudig in het 20 apparaat te monteren cassette voor de gewalste metaaldraad.

6. Electronenstraalapparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de metaaldraad dragende uiteinden van de ondersteuningen (34, 36) uit zilver bestaan en elk van een geleidegroef voor de metaaldraad zijn voorzien.

7. Electronenstraalapparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de metaaldraad een gesloten kring vormt en buiten de ondersteuningen gelegen draaginrichtingen voor de metaaldraad van elec-trisch isolerende elementen zijn voorzien.

8. Electronenstraalapparaat volgens een der voorgaande conclusies, 30 met het kenmerk, dat een door een emissiestrocm van de metaaldraad gestuurde tenperatuurstabilisatie inrichting voor de draad is opgenomen.

9. Electronenstraalapparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een door een emissies trocm van de draad gestuurde temperatuur stabilisatie inrichting voor de draad tevens is ingericht 35 voor bijrichten van een te emitteren electronenbundel in de richting van een hoofdas van het electronenstraalapparaat.

10. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met bet kenmerk, dat voor invangen van een voor temperatuur stabilisatie te ge- 8302275 PHN 10.697 9 bruiken emissiestrocm van de metaaldraad een al dan niet in segmenten opgedeeld diafragma in het apparaat is opgenomen.

11. Electronenstraalapparaat volgens een der voorgaande conclusies, liet het kenmerk, dat een regelinrichting voor het sturen van de warmte 5 toevoer voor de metaaldraad is ingericht voor een pulserende activering van de metaaldraad. 10 15 20 25 30 35 8302275