DE3034598A1 - Metalldrahtkathode fuer elektronenstrahlgeraet - Google Patents

Description

N.V. Philips · PHN 9588

Metalldrahtkathode für Elektronenstrahlgerat

Die Erfindimg betrifft ein Elektronenstrahlgerat mit einer Elektronenquelle, die einen in der Längsrichtung verschiebbaren, stellenweise durch einen Energiestrahl zu erhitzenden Metalldraht und eine nahe dem Draht angeordnete, gegen den Draht positives Potential führende, bündelbegrenzende Blende enthält.

Ein derartiges Elektronenstrahlgerat ist aus der US-PS 3,745,342 bekannt. In einem darin beschriebenen Gerät wird ein beispielsweise durch ein Elektronenbündel oder durch einen Laserstrahl erhitzter Metalldraht als Kathode für das Gerät benutzt. Um der Quelle eine ausreichend lange Lebensdauer zu geben, wird der Metalldraht im Betrieb in der Längsrichtung verschoben.

Ein aus einer äußerst schmalen Linie eines derartigen Metalldrahts herrührender Elektronenstrom weist bei einem Draht mit einem kreisförmigen Querschnitt geringer Abmessung eine verhältnismäßig große Streuung in der Austrittsrichtung auf. Da eine Linse, die das Elektronenbündel weiter verarbeiten muß, mit einer gegen die Liniendicke verhältnismäßig große sphärische Aberration behaftet ist, um einen Auftrefffleck mit einer wenigstens in einer Richtung geringen Abmessung verwirklichen zu können, ist die Verwendung einer den Bündeldurchschnitt beschränkende Blende notwendig. Durch die erwähnte große Richtungsstreuung läßt eine derartige Blende bereits schnell einen zu geringen Teil des Bündelstroms durch, was selbstverständlich in vielerlei Hinsicht unvorteilhaft ist. Im bekannten Elektronenstrahlgerät müssen hierdurch zum Erhalt einer annehmbaren Lebensdauer der Quelle der zu erreichenden Auftreff-

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fleckqualitäts-Einschränkungen gesetzt werden, d.h. der Höchststromdichte und ihrer Mindestabmessung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlgerät zu schaffen, in dem diese Einschränkungen wesentlich geschwächt sind und daher unter Beibehaltung einer annehmbaren Lebensdauer der Quelle ein Auftrefffleck höherer Qualität verwirklicht werden kann. Diese Aufgabe wird bei einem eingangs erwähnten Elektronenstrahlgerät dadurch gelöst, daß Vorkehrungen zur Reduzierung von Richtungsstreuung in einem vom Metalldraht zu emittierenden Elektronenbündel getroffen sind.

Zum Reduzieren der Richtungsstreuung im Elektroneribündel kann ein stark fokussierendes Feld verwendet werden, das nahe dem Metalldraht angelegt werden kann. Hierzu kann zum Anlegen eines elektrostatischen Feldes der Draht zwischen zwei grundsätzlich parallel verlaufenden Platten mit einem gegenseitig großen Potentialunterschied montiert werden; beispielsweise eine erste Platte stark negativ gegen den Draht und eine zweite mit einer Durchlaßöffnung versehene Platte stark positiv gegen den Draht. Es stellt sich jedoch heraus, daß dabei die Potentialdifferenzen für eine gute Wirkung unpraktisch hoch werden. Durch die Verwendung eines magnetischen Quadrupolfelds zum Nachrichten kann dieser Nachteil beseitigt werden, aber diese Lösung erfordert eine äußerst genaue Positionierung des Drahts im Magnetfeld, wodurch die Stabilität der Quelle beeinträchtigt wird. Die erforderliche Stärke der Linsenwirkung nahe der Kathode in den beiden erwähnten Lösungen ist ebenfalls ein unvorteilhafter Faktor.

In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlgeräts ist das Querprofil des Drahts derart gebildet, daß das zu emittierende Elektronenbündel bereits bei der Emission eine geringere Richtungsstreuung

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aufweist. Hierbei zeigt es sich, daß ein streifenförmiger handelsüblicher Metalldraht beim starken örtlichen Erhitzen nicht stabil ist, wodurch die Position und die Form der emittierenden Oberfläche gegen die bündelbegrenzende Blende unkontrolliert variieren kann. Dabei wird die Feldstärke nahe der Oberfläche, die zum Absaugen der emittierten Elektronen erforderlich ist, verhältnismäßig klein. Die Feldstärke an einer Oberfläche in einem Feldraum ist bekanntlich stark vom Krümmungsradius der Oberfläche abhängig.

ig Eine vorteilhafte Ausführung für den Metalldraht besteht im Abflachen der Manteloberfläche, an der Stelle, an der die Elektronenemission auftreten wird, wobei von einem runden Draht ausgegangen wird. Dies läßt sich beispielsweise durch Walzen eines kreisförmigen Drahtes erreichen. Das Maß der Abflachung ermöglicht einen vorteilhaften Kompromiß zwischen der Oberflächenfeldstärke und der restlichen Richtungsstreuung. Eine Eliptizität von etwa 1,5 bis 2,5 arbeitet dabei in einer Konfiguration der Quelle nach der Beschreibung in der US-PS 3,74-5,342 zweckmäßig«

Einige bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlgerätes werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine bevorzugte Ausführung in Form eines Elektronenstrombearbeitungsgeräts,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Elektronenquelle dazu und

Fig. 3 einige Ausführungsformen von Kathodendrähten für eins derartige Elektrodenquelle im Schnitt.

Ein Elektronenstrahlbearbeitungsgerät nach Fig. 1 enthält eine Elektronenquelle 1 mit einer Drahtkathode 2 und einer Anodenhülse 3* eine zweita Anode h und eine Kondensorlinse 5. Weiter enthält das Gerät eine erste Blende 6 und eine zweite Blende 7, deren Draufsichten zur Erläuterung dargestellt sind. Durch ein elektronenoptisohes Linsensystem 8

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kann die erste Blende 6 auf der zweiten Blende 7 abgebildet werden. Diese Abbildung kann dabei mit einer Bltndelablenkanordnung 9 in der Ebene der zweiten Blende 7 verschoben werden, um die Mitte des Bündels mit dem Zentrum der Blendenöffnung zusammenfallen zu lassen. Ein von der zweiten Blende 7 durchgelassener Bündelteil 10 des Elektronenbündels 11 kann mit einer sammelnden Linse 12 an einer Oberfläche 13 eines zu bearbeitenden Objekts 14 stark ver kleinert abgebildet werden. Für die Bearbeitung der Oberfläche 13 kann das Bündel mit einem Bündelablenksystero in einem wahlfreien Muste" über die Oberfläche verschoben werden. Die erste Blende 6 hat beispielsweise die Form eines Rechtecks, dessen zwei Seiten 16 bündelbegrenzend sind. Diese Blende 6 wird auf der zweiten Blende 7 abgebildet, die hier ebenfalls die Form eines Rechtecks hat. Dessen Seiten 17 sind auch bündelbegrenzend, so daß das Bündel hinter den beiden Blenden£u einem von den Seiten 17 der Blende 7 und einer Abbildung 18 der Blende 6 gebildeten und einstellbaren Durchlaßöffnung 19 eingeschränkt ist. Die Funktion der Elektronenquelle besteht in der Verwirklichung einer hohen Stromstärke in diesem Bünde?..

Die Kathode 2 wird hier durch einen mindestens an einer Mantelseite abgeflachten Metalldraht gebildet, der in Fig.

senkrecht auf der Zeichenebene gedacht werden muß. Dieεsr Metalldraht wird durch eine Öffnung 20 von der Seite he: mit einem Elektronenstrahl 21 angestrahlt, der durch eine Quelle 22 erzeugt und mit einer Spule 23 gerichtet wird. Der Draht wird somit stellenweise auf eine Temperatur beispielsweise von 3400⁰C für einen Wolframdraht erhitzt, für den üblicherweise eine Emissionstemperatur von etwa 2800⁰C eingehalten wird.

In Fig. 2 ist die Elektronenquelle 1 der bevorzugten Ausführung nach Fig. 1 perspektivisch schematisch dargestellt.

Der Metalldraht 2 steht unter einer in der Längsrichtung

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wirkenden Zugkraft, die den Draht unter allen Umständen zwischen einer Spule 25 mit einer Führung 26 und einer Spule 27 mit einer Führung 28 gespannt hält. Um den Metall draht herum befinden sich ein Trägerblock 29 mit einer V-Rinne 31 und ein Trägerblock 30 mit einer V-Rinne 32,die für eine genaue Führung des Metalldrahts 2 in der Längsrichtung sorgen. Anlaufflächen in den Trägerblöcken 29 und 30, die vorzugsweise an das Drahtprofil angepaßt sind, ver hindern, daß sich der Draht zwischen den Trägerblöcken 29 und 30 dreht, wodurch der abgeflachte Teil bereits genau auf eine Durchlaßöffnung 24 in der Anodenbuchse 3 gerichtet bleibt. Vorzugsweise haben die Trägerblöcke 29 und 30 einen guten Wärmekontakt mit dem Metalldraht 2 und sie bestehen aus einem Metall mit guten wärmeleitenden Eigenschaften, beispielsweise Silber. Zwischen den Trägerblöcken befindet sich um den Draht herum die Anode 3, die die Form eines Hohlzylinders mit einem Innendurchmesser von z.B. 0,5 bis 2 mm und einer Wanddicke 35 von z.B. 0,2 bis 0,5 mm hat, und hier eine Einheit mit den Trägerplatten bildet. Die Öffnung 24 kann an die Wünsche für die Abmessungen der Elektronenquelle in der Längsrichtung angepaßt werden und mißt z.B. 50 χ 500 /um . Im Betrieb führt die Anode 3 bei Nullpotential des Metalldrahts 2 ein Potential von z.B. + 300 bis + 700 V.

Die Erfindung ist zwar für ein ■ Elektronenstrahlbearbeitungsgerät für MikrοSchaltungen beschrieben und eignet sich dazu auch besonders, aber ihr Anwendungsbereich umfaßt z.B. auch Elektronenstrahlbearbeitungsgeräte für Materialbearbeitung, z.B. zum Bohren genau definierter Löcher oder Muster.

In einem derartigen Gerät können nach Bedarf die Länge und die Breite der Auftrefffläche an eine erste Abmessung einer zu schreibenden Struktur angepaßt werden, wodurch für die Bearbeitung viel Zeit erspart wird. Die Länge und die Breite des AuftrefiHecks können durch die elektronenoptische An-

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Ordnung nach der Beschreibung anhand der Fig. 1 bestimmt werden. Es ist dabei möglich, mit einer runden Öffnung 24 dennoch einen viereckigen oder länglichen Auftrefffleck zu bilden.

In Fig. 3 sind einige Profile eines Kathodendrahts dargestellt. Fig. 3a zeigt ein Profil 40 in Form einer Ellipse hier mit einer Elliptizität von 1,5· Eine emittierende Oberfläche 41 befindet sich zentral auf einem fichsten Teil der Ellipse, während der Draht beispielsweise in einer ebenfalls elliptischen Fläche 42 für die Erhitzung angestrahlt wird. Ein Profil 43 in Fig. 3b zeigt eine Ellipsfläche 44 als emittierende Fläche, während die gegenüberliegende Fläche 45 kreisförmig gehalten ist. In Fig. 3c ist ein Profil 46 dargestellt, in dem ein emittierender Teil einen flachen Teil aufweist. Hierbei kann die gegenüberliegende Fläche 48 gleich der emittierenden Fläche ellipsförmig oder kreisförmig sein. Ein jedes dieser drei Profile kann durch das Walzen eines ursprünglich runden Drahts gebildet werden, wobei die gegenseitigen Unterschiede im emittierenden Teil und im gegenüberliegenden Teil durch die Wahl der Härte und/oder die Form der zu benutzenden Walzrollenflächen erreicht werden. Obgleich für viele Anwendungen durch die verhältnismäßig großen Bündelfehler weniger geeignet, kann also auch eine emittierende Hohlfläche verwirklicht werden. In Fig. 3e ist ein Querschnitt 49 für den Draht angegeben, bei dem von einem rechteckigen Band ausgegangen wurde. Eine emittierende Fläche 50 kann dabei etwas gerundet sein, während eine gegenüberliegende Fläche 51 völlig gerade gehalten sein kann und als solche eine gut brauchbare Richtfläche für den Draht ergibt.

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   PATENTANSPRÜCHE:

   Λ I Elektronenstrahlgerät mit einer Elektronenquelle, die eine Kathode mit einem in der Längsrichtung verschiebbaren, stellenweise durch einen Energiestrahl zu erhitzenden Metalldraht und eine nahe dem Draht angeordneten, gegen den Draht positives Potential führende bündelbegrenzende Blende enthält, dadurch gekennzeichnet, daß Vorkehrungen zur Reduktion von Richtungsstreuung zwischen dem Metalldraht und der Blende in einem vom Draht auszusendenden Elektronenbündel getroffen sind.
2. 2. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkehrungen zum Reduzieren der Richtungsstreuung durch ein mindestens in einer Richtung stark fokussierendes elektrostatisches oder elektromagnetisches Feld gebildet werden.
3. 3· Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht ein die Richtungsstreuung des zu emittierenden Bündels in einer Richtung senkrecht auf der Längsrichtung des Drahts reduzierendes Profil hat.
4. 4. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht einen grundsätzlich ellipsförmigen Querschnitt mit einer Elliptizität zwischen etwa 1,5 und 2,5 hat.
5. 5· Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Drahts an einer Emissionsseite ein abgeflachtes Profil hat.
6. 6. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorangehenden

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   Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodendraht aus einem walzbaren Material mit einer hohen Schmelztempe ratur und mit einer nahe der Schmelztemperatur verhältnis mäßig niedrigen Dampfspannung besteht.

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