DE3332549A1

DE3332549A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermeidung von kathodenschaeden beim einschalten von feldemissionsstrahlern

Info

Publication number: DE3332549A1
Application number: DE19833332549
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 7080 Aalen Kurz; Norbert Dipl.-Ing. Schäfer (FH), 7082 Essingen
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1983-09-09
Publication date: 1985-03-28
Also published as: US4628226A

Description

	*	Firma Carl Zeiss, 7920	Vorrichtung zur	3·	3332549	(Brenz)	83028 P
5		Einschalten von	Heidenheim		83028 G
10	Verfahren und			von Kathoden-
15	schaden beim		Vermeidung	Feldemissionsstrahlern

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Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung von Kathodenschäden beim Einschalten von Feldemissionsstrahlern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung ^ von Kathodenschäden beim Einschalten von Strahlerzeugungssystemen mit einer Feldemissionskathode, welche im wesentlichen aus der Kathode, einer ersten Elektrode bzw. einem Wehneltzylinder und einer Erdelektrode bestehen, wobei im Betrieb zwischen Kathode und erster Elektrode eine Saugspannung U₃ und zwischen Kathode und Erdelektrode eine Beschleuni-10gungsspannung U^ liegt.

Elektronenstrahlerzeugungssysteme werden in letzter Zeit häufig mit Feldemissionskathoden ausgerüstet. Bei diesen wird ein starkes elektrisches Feld an eine spitze Kathode angelegt, so daß sie infolge des Tunneleffektes Elektronen aussendet, wobei keine oder nur eine geringe Heizung üblich ist.

Kathoden mit feiner Spitze ermöglichen es, Geräte mit weitaus größerer Helligkeit und kleineren Elektronenquellen und damit höheren Auflösungsvermögen zu bauen, als es mit herkömmlichen thermischen Kathoden möglich ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Transmissions- und Scanningelektronenmikroskope_r Lithographie- und Elektronenstrahlbearbeitungsgeräte. Sie bezieht sich auch auf Geräte mit Feldionen- oder sonstigen thermischen Spitzenkathoden.

Strahlerzeugungssysteme bestehen im wesentlichen aus der Kathode (auch als Emitter bezeichnet), einer ersten Elektrode (auch als Wehneltzylinder bezeichnet) und einer Erdelektrode. Im Betrieb liegt zwischen Kathode und erster Elektrode eine Saugspannung U₃, die bei Feldemissionsstrahlern zur Erzeugung des zur Feldemission notwendigen elektrischen Feldes dient. Zwischen Kathode und Erdanode liegt die Beschleunigungsspannung Ul, wobei die Beschleunigungsstrecke oft aus mehreren Elektroden besteht.

Beim Einschalten der Spannungen sind vor allem nach einem Kathodenwechsel infolge von adsorbierten Schichten und Staubteilchen Überschläge kaum zu vermeiden. Dabei werden die empfindlichen Spitzen der Feldemissionskathoden meist zerstört. Derartige Überschläge können entweder in der Emissionsstrecke zwischen Kathode und erster Elektrode oder in der Beschleunigungsstrecke zwischen erster Elektrode und Erdelektrode stattfinden, wobei letztere auch auf den Bereich bis zur Kathode übergreifen.

Aus der US-PS 3 766 427 ist ein Strahlerzeugungssystem bekannt, bei dem die Feldemissionskathode gegen Überschläge in der Emissionsstrecke durch folgende Vorrichtungen geschützt wird: Die Kathode ist von einer sog. Elektrode in Form eines Zylinders umgeben, dessen Potential in der Nähe des Kathodenpotentiales liegt oder diesem gleich ist. Innerhalb des Zylinders der 3. Elektrode befindet sich am unteren Rand eine sog. 4. '° Elektrode, an welcher die Saugspannung liegt. Das Innere der 3. Elektrode ist als Ionengetterpumpe ausgebildet. Außerdem kann die 3. Elektrode mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Strahlerzeugungssysteme mit Vorrichtungen zum Schutz der Kathode bei Überschlägen in der Beschleunigungsstrecke sind bisher nicht bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem die Zerstörung oder Beschädigung von Feldemissionskathoden durch Überschläge, die von der Beschleunigungsstrecke ausgehen, verhindert wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Einschalten der Spannungen eine galvanische Verbindung zwischen Kathode und erster Elektrode hergestellt wird, die während einer Einbrennzeit bestehen bleibt, und daß während der Einbrennzeit nur die Beschleunigungsspannung U^ angelegt wird.

Unter galvanischer Verbindung wird eine kapazitäts- und induktionsarme, direkte elektrische Verbindung verstanden. 35

Es ist vorteilhaft, wenn die Beschleunigungsspannung U^ während der

Einbrennzeit eine Überspannung von bis zu 20 % hat.

Zweckmäßigerweise wird die Einbrennzeit zwischen 10 und 1000 s gewählt. Sie hängt vom Aufbau des Strahlerzeugungssystems und von der jeweiligen Vorgeschichte vor dem Einschaltvorgang ab.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist für die galvanische Verbindung zwischen Emitter und erster Elektrode ein mechanischer, elektromechanischen, elektronischer oder pneumatischer Schalter möglichst dicht beim Kathodenanschluß vorgesehen, um die Leitungen möglichst kurz und damit kapazitäts- und induktionsarm zu machen, so daß die Emitterspitze auch während eines Überschlages sofort auf das Potential der ersten Elektrode geht und damit zu ihr kein Überschlag stattfinden kann.

Die Betätigung des auf Hochspannungspotential liegenden Schalters muß hochspannungsisoliert erfolgen. In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung des Schalters über eine Spannungsversorgung, die sich im Hochspannungstank der Hochspannungsquelle befindet. Die elektrischen Zuführungen müssen ebenfalls hochspannungsisoliert sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden hierfür die im Hochspannungskabel vorhandenen Zuführungen für die Kathodenheizung mitbenutzt. Dies ist möglich, weil während der Betätigung des Schalters keine Kathodenheizung benötigt wird.

Natürlich ist es auch möglich, die hochspannungsisolierte Betätigung des Schalters auf andere Art, z.B. mit einer Infrarotsteuerung, durchzuführen.

Es ist außerdem zweckmäßig, den Schalter in den Kathodenkopf einzubauen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren 1 bis 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlerzeugungssystems im Schnitt einschließlich Kathodenkopf und Schalter und

Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Spannungsversorgung des Strahlerzeugungssystems und des Schalters.

In Fig. 1 ist mit 1 die Kathode bezeichnet, welche auf einem hohen negativen Potential von z.B. -TOO kV liegt. Die Kathode 1 ist in bekannter Weise von einer Kathodenelektrode 2 umgeben, welche auf dem gleichen

10Potential wie die Kathode 1 liegt. Mit 3 ist die erste Elektrode bzw. der Wehneltzylinder bezeichnet, an welchem die Saugspannung IL von z.B. -98 kV liegt. Zwischen dieser ersten Elektrode und der mit 4 bezeichneten Erdelektrode ist eine mit 5 bezeichnete zusätzliche Anode angeordnet, welche im einfachsten Fall auf Kathodenpotential, also z.B. -100 |<V liegt. Für eine Beeinflussung der Elektronenoptik des Systems kann es vorteilhaft sein, dieser Elektrode ein anderes Potential, z.B. -80 kV, zu geben. Die zusätzliche Anode 5 dient - insbesondere durch ihre zylinder förmige Ausbildung - ebenfalls zum Schutz der Kathode vor Überschlägen .

Die Zuleitungen zur Kathode sind mit 6a und 6b bezeichnet, die Zuleitung zur ersten Anode mit 7. In diesen Zuleitungen sind Steckerhülsen 7a und 6c enthalten, welche durch den Kontaktbügel 8a des Schalters 8 miteinander elektrisch leitend (galvanisch) verbunden werden können.

Der Schalter 8 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Spule 11 mit einem Magnetkern 12 und einer Feder 13. Wenn an die Spule 11 Spannung angelegt wird, bewegt sich der Magnetkern 12 in Richtung des Pfeiles 14 und betätigt einen Mechanismus 15 wie er z.B. aus Kugel-Schreibern allgemein bekannt ist (mechanischer Flipflopschalter). Jedesmal wenn an die Spule 11 Spannung angelegt wird, geht der Kontaktbügel 8a abwechselnd in Stellungen, bei denen er die Strecke zwischen den Steckerhülsen 7a und 6c schließt oder öffnet.

Der Schalter 8 liegt auf Hochspannungspotential, damit die Verbindung zwischen Kathode 1 und erster Anode 3 möglichst kurz und damit kapazi-

täts- und induktionsarm ist. Er ist daher in den Hochspannungsstecker 9, der bis zur Steckerleiste 19 geht und Bestandteil des Kathodenkopfes 18+9 ist, eingebaut.

^ Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Spannungsversorgung des Schalters 8. Mit 21 ist ein bekannter Hochspannungstank bezeichnet, in dem sich die Generatoren für die Beschleunigungsspannung Ul, für die Saugspannung L) und für die Kathodenheizung Ulj befinden. Der Hochspannungstank 21 ist über das Hochspannungskabel 22 mit dem Hochspannungsstecker 9 verbunden. In diesem ist parallel zur Kathode 1 die Spule 11 des Schalters 8 geschaltet. Zwei Dioden 23 und 24 sorgen dafür, daß je nach Polarität der angelegten Spannung entweder nur die Kathode 1 geheizt wird oder nur die Spule 11 erregt wird.

Für die Betätigung des Schalters 8 ist in den Hochspannungstank 21 zusätzlich ein Impulsgenerator 25 und ein Umschalter 2ό in die Leitungen für die Kathodenheizung eingebaut. Durch die Betätigung des Umschalters 26 wird die Kathode 1 von ihrer Heizspannungsversorgung U^ getrennt und ihre Zuleitungen werden mit dem Spannungsimpulsgenerator 25 verbunden.

Durch einen Spannungsimpuls des Generators 25 schließt dann der Schaltbügel 8a des Schalters 8 die Verbindung zwischen Kathode 1 und erster Anode 3. Ein weiterer Spannungsimpuls des Generators 25 bringt den Schaltbügel 8a wieder in die Lage, bei der Kathode 1 und erste Anode 3 voneinander getrennt sind. Anschließend wird der Umschalter 26 betätigt, so daß die Kathode wieder mit ihrer Spannungsversorgung verbunden ist.

Nach dem Einsetzen einer neuen Kathode und der Erzeugung des notwendigen Ultrahochvakuums wird zunächst in der oben beschriebenen Weise die Verbindung zwischen Kathode und erster Anode hergestellt und anschließend die Beschleunigungsspannung U^ eingeschaltet. Es ist vorteilhaft, während der Einbrennzeit dieser Beschleunigungsspannung eine Überspannung von bis zu 20 % zu geben. Wenn keine Überschläge mehr auftreten, wird die Beschleunigungsspannung auf den gewünschten Wert eingestellt, die Verbindung zwischen Kathode und erster Anode unterbrochen und die Saugspannung U₃ eingeschaltet. Als letztes wird - sofern notwendig - die Kathodenheizung eingeschaltet.

Dieses Einschalt verfahren ist zum Schutz der Kathode nicht nur nach dem Einbau einer neuen Kathode, sondern auch vor jeder Inbetriebnahme des Strahlerzeugungssystems zweckmäßig. Im letzteren Fall ist die Einbrennzeit jedoch erheblich kürzer als nach dem Einbau einer neuen Kathode. 5

Das beschriebene Einschaltverfahren kann einschließlich der zweckmäßigerweise einzuhaltenden Zeitintervalle durch eine Mikroprozessorsteuerung automatisiert werden.

Claims

Patentansprüche:

1.!Verfahren zur Vermeidung von Kathodenschäden beim Einschalten von Strahlerzeugungssystemen mit einer Feldemissionskathode, welche im wesentlichen aus der Kathode, einer ersten Elektrode bzw. einem Wehneltzylinder und einer· Erdelektrode bestehen, wobei im Betrieb zwischen Kathode und erster Elektrode eine Saugspannung (U₃) und zwischen Kathode und Erdelektrode eine Beschleunigungsspannung (Uj₃) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einschalten der Spannungen (U und Ul) eine galvanische Verbindung (8a) zwischen Kathode (I) und erster Elektrode (3) hergestellt wird, die während einer Einbrennzeit bestehen bleibt, und daß während der Einbrennzeit nur die Beschleunigungsspannung (U]₃) angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einbrennzeit die Beschleunigungsspannung (U^) eine Überspannung von bis zu 20 % hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbrennzeit eine Dauer von 10 bis 1000 s hat.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die galvanische Verbindung (8a) zwischen Kathode (1) und erster Elektrode (3) ein mechanischer, elektromechanischer, elektronischer oder pneumatischer' Schalter (8) beim Kathodenanschluß vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (8) Bestandteil des Kathodenkopfes (18+9) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (8) mit Haltefunktion für seine zwei Zustände ausgerüstet ist.

35V. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Änderung des Zustandes des Schalters ein elektrisches Signal über die Leitungen (6a,6b) des Hochspannungskabels vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal ein Gleichspannungsimpuls ist, für das die Heizleitungen vorgesehen sind und dessen Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Heizspannung ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen erster Elektrode (3) und Erdelektrode (4) eine zusätzliche Elektrode (5) angeordnet ist, welche auf einem Potential in der Nähe des Kathodenpotentiales liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (5) die Kathode und die erste Elektrode zylinderförmig umschließt.