DE3034598C2 - Elektronenstrahlgerät - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlgerät mit einer Elektronenquelle, die eine Katode mit einem 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 Elektronenstrahlgerät ist aus der US-PS 37 45 342 bekannt In einem darin beschriebenen Gerät wird ein beispielsweise durch ein Elektronenbünde! 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 Linienbreite verhältnismäßig großen sphärischen Aberration behaftet ist, ist die Verwendung einer den Bündelquerschnitt beschränkende Blende notwendig, um einen Auftrefffleck mit einer wenigstens in einer Richtung geringen Abmessung verwirklichen zu können. Durch die erwähnte große Richtungsstreuung läßt eine derartige Blende bereits schnell einen zu geringen Teil des Bündebiroms durch, was selbstverständlich in vielerlei Hinsicht unvorteilhaft ist. Im bekannten Elektronenstrahlgerät müssen hierdurch zum Erhalt einer annehmbaren Lebensdauer der Quelle der zu erreichenden Auftrefffleckqualitätseinschränkungen gesetzt werden, d. h. der Höchststromdichte und ihrer Mindestabmessung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem diese Einschränkungen wesentlich verringert sind und bei dem daher unter Beibehaltung einer annehmbaren Lebensdauer der Quelle ein Auftrefffieck höherer Qualität verwirklicht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem eingangs erwähnten Elektronenstrahlgerät dadurch gelöst, daß der Metalldraht ein die Richtungsstreuung des zu emittierenden Bündels in oiner Richtung senkrecht auf der Längsrichtung des Drahtes reduzierendes Profil hat

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es zeigt 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 emittierenden E'ektronen erforderlich ist, verhältnismäßig klein. Die Feldstärke an einer Oberfläche in einem Feldraum ist bekanntlich stark vom Krümmungsradius der Oberfläche abhängig. Bei dem EieküOnensirahigeräi nach dem Anspruch 3 ermöglicht das Maß der Abflachung einen vorteilhaften Kompromiß zwischen der Oberflächenfeldstärke und der restlichen Richtungsstreuung. Die Abflachung läßi sich beispielsweise durch Walzen eines kreisförmigen Drahtes erreichen. Das Elektronenstrahlgerät nach deiif Anspruch 2 arbeitet mit einer Konfiguration der Quelle nach der Beschreibung in der US-PS 37 45 342 zweckmäßig.

Ein Ausführungsheispiel eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlgerätes wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das als Elektronenstrahlbearbeitungsgerät dienende Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Elektronenquelle dazu und

F i g. 3 einige Ausführungsformen von Kathodendrähten für eine derartige Elektrcdenquelle im Schnitt

Ein Elektronenstrahlbearbc.tungSijirät nach Fig. t enthält eine Elektronenquelle 1 mit einer Drahtkathode 2 und einer Anodenhülse 3, eine zweite Anode 4 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 elektronenoptisches Linsensystem 8 kann die erste Blende 6 auf der zweiten Blende 7 abgebildet werden. Diese Abbildung kann dabei mit einer Bündelablenkanordnung 9 in der Ebene der zwpjten Blende 7 verschoben werden, um die Mitte des Bündels mit dem Zentrum der Blendenöffnung zusammenfallen zu la en. 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 verkleinert abgebildet werden. Für die Bearbeitung der Oberfläche 13 kann das Bündel mit einem Bündelablenksystem 15 in einem wahlfreien Muster 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 zu 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 Bündel.

Die Kathode 2 wird hier durch einen mindestens an

einer Mantelseite abgeflachten Metalldraht gebildet, der in F i g. 1 senkrecht auf der Zeichenebene gedacht werden muß. Dieser Metalldraht wird durch eine Öffnung 20 von der Seite her 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 2800° C eingehalten wird.

In F i g. 2 ist die Elektronenquelle 1 des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 perspektivisch schematisch dargestellt Der Metalldraht 2 steht unter einer in der Längsrichtung 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. Ur den Metalldraht 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 vorzugjweise an das Drahtprofil angepaßt sind, verhindern, daß sich der Draht zwischen den Trägerblöcken 29 und 30 dreht, wodurch der abgeflachte Teil bereits genau auf eine Durchlaßöffnung 34 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 einen. Innendurchmesser von z. B. 03 bis 2 mm und einer Wanddicke von z. B. 0.2 bis 0,5 mm hat, und hier eine Einheit mit den Trägerblöcken bildet. Die öffnung 34 kann an die Wünsche für die Abmessungen der Elektronenquelle in der Längsrichtung angepaßt werden und mißt z. B. 50 · 500 μΐη². Im Betrieb führt die Anode 3 bei Nullpotential des Metalldrahts 2 ein Potential von z. B. + 300 bis -f 700 V.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwar ein Elektronenstrahlbearbeitungsgerät für Mikroschaltungen beschrieben und die Erfindung eignet sich dazu auch besonders, aber ihr Anwendungsbereich umfaßt z. B. auch Elektronenstrahlbearbeitungsgeraie für Materialbearbeitung. z.B. zum Bohrt ι genau definierter Locher oder Muster.

In einem derartigen Gerät können nach Bedarf die Lange 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 3reite des Auftreffflecks können durch die elektronenoptische Anordnung nach der Beschreibung anhand der F 1 g. 1 bestimmt werden. Es ist dabei möglich, mit einer runden öffnung 34 dennoch einen viereckigen oder länglichen Auftrefffleck zu DiI-den.

In Fig. 3 sind einige Profile eines Kathodendrahts dargestellt. F 1 g. 3a zeigt ein Profil 40 in Form einer Ellipse hier mit einer Elliptizität von 1,i>. Fine emittierende Oberfläche 41 befindet sich zentral auf einem flachsten Teil der Ellipse, während der Draht beispielsweise in einer ebenfalls elliptischen Fläche 42 für die Erhitzung angestrahlt wird. Ein Profil 43 in F i g. 3b zeigt eine Ellipsfläche 44 als emittierende Fläche, während die gegenüberliegende Fläche 45 kreisförmig gehalten ist. In F i g. 3c ist ein Profil Ά dargestellt, in dem ein emittierender Teil 47 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 Walzroilenflächen 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 aasgegangen wurde. Eine emittierende Räche 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. 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 der Metalldraht (2) ein die Richtungsstreuung des zu emittierenden Bündels (11) in einer Richtung senkrecht auf der Längsrichtung des Drahtes (2) reduzierendes Profil hat

2. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) einen ellipsenförmigen Querschnitt (40) mit einer Elliptizität zwischen etwa 1,5 und 25 hat (F i g. 3a).

3. Eiektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (46, 49) des Drahics (2) an einer EinissiuUSSeiic ein abgeflachtes Profil hat (F i g. 3c und d).

4. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodendraht (2) aus einem walzbaren Material mit einer hohen Schmelztemperatur und mit einem nahe der Schmelztemperatur verhältnismäßig niedrigem Dampfdruck besteht