NL7906958A - Metaaldraadkathode voor elektronenstraalapparaat. - Google Patents

Description

‘ *3 PHN 9588 , N.Y. Philips* Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Metaaldraadkathode voor elektronenstraalapparaat

De uitvinding heeft betrekking op een elektronenstraalapparaat met een elektronenbron die een in langs-richting verplaatsbare, locaal door een energiestraal te verhitten metaaldraad en nabij de draad opgesteld, een ten 5 opzichte van de draad positieve potentiaal voerend bundel-begrenzend diafragma bevat.

Een dergelijk elektronenstraalapparaat is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3·7^-5.3^2. In een daarin beschreven apparaat wordt een, door bijvoorbeeld een elek-10 tronenbundel of een laserstraal verhitte metaaldraad als kathode voor het apparaat gebruikt. Om aan de bron een voldoend lange levensduur te geven wordt de metaaldraad tijdens bedrijf in langsrichting verschoven.

Een uit een uiterst smalle lijn van een dergelijk 15 metaaldraad komende elektronenstroom vertoont bij een draad met een cirkelvormige doorsnede van geringe afmeting een relatief grote spreiding in uittreerichting. Omdat een lens, die de elektronenbundel verder moet verwerken behept is met een ten opzichte van de lijndikte relatief grote sferische 20 aberratie is, om een trefvlek met een althans in één richting kleine afmeting te kunnen realiseren, het gebruik van een bundeldoorsnede beperkend diafragma nodig. Door de genoemde grote richtingsspreiding zal een dergelijk diafragma al snel een te klein deel van de bundelstroom doorlaten 25 hetgeen uiteraard in vele opzichten, ongunstig is. In het bekende elektronenstraalapparaat moeten hierdoor, ter wille van een aanvaarbare levensduur van de bron, beperkingen worden gesteld aan de te bereiken trefvlekkwaliteit, dat wil hier zeggen de maximale stroomdichtheid en een mini-30 male afmeting daarvan.

De uitvinding beoogt een elektronenstraalapparaat te verschaffen waarin deze beperkingen beduidend zijn 7906958 * ♦ PHN 9588 2 verzwakt en derhalve, onder behoud van een aanvaardbare levensduur van de bron een trefvlek van betere kwaliteit kan worden gerealiseerd. Een in de aanhef genoemd elektronen-straalapparaat heeft daartoe tot kenmerk dat voorzieningen 5 aanwezig zijn om richtingsspreiding in een door de metaaldraad te emitteren elektronenbundel te reduceren.

Voor het reduceren van de richtingsspreiding in de elektronenbundel kan gebruik gemaakt worden van een sterk focusserend veld, aan te leggen nabij de metaaldraad. Hier-^ toe kan voor het aanleggen van een elektrostatisch veld de draad worden gemonteerd tussen twee,, in principe evenwijdig opgestelde platen met ten opzichte van elkaar een groot potentiaalvershcil; bijvoorbeeld een eerste plaat sterk negatief ten opzichte van de draad en een tweede, van een 15 doorlaatopening voorziene plaat, sterk positief ten opzichte van de draad. Het blijkt evenwel, dat daarbij de potentiaalverschillen voor een goede werking onpraktisch hoog worden. Door gebruik te maken van een magnetisch quadrapoolveld voor het bijrichten kan dit bezwaar ondervangen worden, 20 maar deze oplossing eist een uiterst nauwkeurige positionering van de draad in het magnetische veld waardoor de stabi. liteit van de bron wordt aangetast. De vereiste sterke van de lenswerking nabij de kathode in beide genoemde oplossingen is eveneens een ongunstige faktor.

25

In een voorkeursuitvoering van een elektronenstraal apparaat volgens de uitvinding is het dwarsprofiel van de draad zodanig gevormd, dat de te emitteren elektronenbundel reeds bij de emissie een geringere richtingsspreiding toont.

Hierbij blijkt, dat een stripvormigè, in de handel verkrijg-30 bare, metaaldraad bij het sterke locale verhitten niet stabiel is waardoor de positie en de vorm van het emitterend oppervlak ten opzichte van het bundelbegrenzend diafragma on-gekontroleerd variëren kan. Daarbij wordt de veldsterkte nabij het oppervlak, nodig om de geemitteerde elektronen weg 35 te zuigen, relatief klein, de veldsterkte aan een oppervlak in een veldruimte is zoals bekend sterk afhankelijk van de kromtestraal van het oppervlak. Een gunstige uitvoering 7906958 ΡΗΝ 9588 3 » Λ voor de metaaldraad is gevonden door van deze, te rekenen vanuit een ronde draad, het manteloppervlak, daar waar de elektronenemissie op zal treden, af te platten. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door een cirkelvormige draad 5 te walsen. Door de mate van afplatten kan een gunstig compromis gelegd worden tussen de oppervlakteveldsterkte en de resterende rlchtingsspreiding. Een ellipticiteit van ongeveer 1,5 & 2,5 blijkt daarbij in een configuratie van de bron zoals beschreven in US 3-745-342 goed te voldoen.

10

Enkele voorkeursuitvoeringen van een elektronen volgens de uitvinding worden in bet navolgende beschreven aan de hand van de tekening. In de tekening toont:

Fig. 1 een voorkeursuitvoering in de vorm van een elektronenstroombewerkingsapparaat.

Fig. 2 een uitvoeringsvorm van een elektronenbron daarvoor en

Fig. 3 in doorsnede enkele uitvoeringsvormen van kathodedraden voor een dergelijke elektronenbron.

Een elektronenstraalbewerkingsapparaat volgens 20 fig. 1 bevat een elektronenbron 1 met een draadkathode 2, en een anodebus 3, een tweede anode 4, en een condensorlens 5. Verder bevat het apparaat een eerste diafragma 6 waarvan ter verduidelijking ook een bovenaanzicht is aangegeven, en ^ een tweede diafragma 7» waarvan eveneens een bovenaanzicht is aangegeven. Door een elektronenoptisch lenssysteem 8 kan het eerste diafragma worden afgebeeld op het tweede diafragma. Deze afbeelding kan daarbij met een bundelaf- buiginrichting 9 worden verschoven in het vlak van het tweede diafragma ten einde het hart van de bundel met het 30 centrum van de diafragmaopening te doen samenvallen. Een door het tweede diafragma doorgalaten bundelgedeelte 10 van de elektronenbundel 11 kan met een collimerende lens 12 sterk verkleind worden afgebeeld op een oppervlak 13 van een te bewerken objekt 14. Yoor het bewerken van het 35 oppervlak 13 kan de bundel met een bundelafbuigsysteem 15, in een patroon naar keuze, over het oppervlak worden verplaatst. Het eerst diafragma 6 heeft bijvoorbeeld de vorm 7906958 ΡΗΝ 9588 4 Μ ν van een rechthoek waarvan tweed zijden 16 bundelbegrenzend zijn. Dit diafragma wordt afgebeeld op het tweede diafragma 7 dat hier eveneens de vorm van een rechthoek heeft. De zijden 17 daarvan zijn ook bundelbegrenzend zodat de bundel 5 na beide diafragma's beperkt is tot een door de zijden 17 van diafragma 7 en een afbeelding 18 van diafragma 6 gevormde en instelbare doorlaatopeningen 19. De fuhktie van de elektronenbron is nu, om in deze bundel een hoge stroom-sterkte te realiseren.

10

De kathode 2 wordt hier gevormd door een althans aan een mantelzijde afgeplatte metaaldraad die in fig. 1 loodrecht op het vlak van tekening gedacht moet worden. Deze metaaldraad wordt via een opening 20 zijdelings bestraald met een elektronenstraal 21 die door een bron 22 wordt op-15 gewekt en met een spoel 23 wordt gericht. De draad wordt aldus locaal verhit tot een temperatuur van bijvoorbeeld 3400°C voor een wolfraamdraad waarvoor gdruikelijk een emissietemperatuur van ongeveer 2800 °C wordt aangehouden.

In fig. 2 is de elektronenbron 1 van de voorkeurs- 20 uitvoering volgens fig. 1 in perspektief schematisch weergegeven. De metaaldraad 2 loopt onder een in langsrichting . werkende trekkracht, die de draad onder alle omstandigheden recht houdt, tussen een spoel 25 met een geleider 26 ^ en een spoel 27 met een geleider 28. Om de metaaldraad bevinden zich twee steunblokken 29 en 30 met elk een Y groef 31 respectievelijk 32 die voor een exacte geleiding van de metaaldraad 2 in langsrichting zorg dragen. Aanslag-vlakken in de steunblokken 29 en 30 die bij voorkeur aan-gepast zijn aan het profiel van de draad voorkomen dat de draad tussen de blokken roteert waardoor het afgeplatte gedeelte reeds exact naar een doorlaatopening 24 in de anodebus 3 blijft gericht. Bij voorkeur hebben de steunblokken een goed warmtekontakt met de metaaldraad, en bestaan ui een metaal met een goede warmtegeleidende eigen-schappen zoals bijvoorbeeld zilver. Tussen de steunblokken bevindt zich om de draad de anode 3, die de vorm heeft van een holle cylinder met deen binnendiameter van bijvoor- 7906958 ' .1 PHN 9588 5 - beeld 0,5 tot 2 mm en een wanddikte 35 van bijvoorbeeld 0,2 tot 0,5 mm en bier een geheel met de steunblokken vormt. De opening 24 kan aan wensen voor de afmetingen van de elektronenbron in lengterichting worden aangepast 5 en meet bijvoorbeeld 50 x 500 ^um. In het bedrijf voert, bij nulpotentiaal van de metaaldraad 2, de anode 3 een potentiaal van bijvoorbeeld +300 a +700 Y.

Hoewel de uitvinding beschreven is aan de hand van een elektronenstraalbewerkingsapparaat voor micro-10 circuits, en daarvoor ook bijzonder gunstig is, is het toepassingsgebied breder en omvat bijvoorbeeld ook elek-tronenstraalbewerkingsapparaten voor materiaalbewerking, zoals het boren van exact gedefinieerde gaten of patronen.

In een dergelijk apparaat kunnen, indien gewenst ^ de lengte en de breedte van de trefvlek worden aangepast aan een eerste afmeting van een te schrijven struktuur waardoor voor de bewerking veel tijd wordt gespaard. De lengte en de breedte van de trefvlek kunnen bepaald worden door elektronenoptische inrichting als beschreven on aan de hand van fig. 1. Het is daarbij mogelijk met een ronde opening 24 toch een vierkantige of een langwerpige trefvlek te vormen.

In fig. 3 zijn enkele profielen van een kathode- draad geschetst. Fig 3a. toont een profiel 40 in de vorm van 55 een ellips, hier met een ellipticiteit van 1,5. Een emitterend oppervlak 41 bevindt zich centraal op een vlakste gedeelte van de ellips terwijl de draad bijvoorbeeld in een eveneens ellipsvlak 42 voor verhitting wordt aangestraald. Een profiel 43 in fig. 3b toont een ellipsvlak

AA

JU 44 als emitterend oppervlak terwijl het tegenoverliggende oppervlak 45 cirkelvormig is gehouden. In fig. 3c is een profiel 46 weergegeven waarin een emitterend gedeelte 47 een plat gedeelte vertoont. Hierbij kan het tegenovergesteld gelegen oppervlak 48 zowel gelijk aan het emitteren-35 de oppervlak, ellipsvormig of cirkelvormig zijn. Elk van deze drie profielen kan worden gevormd door het walsen van een oorspronkelijk ronde draad, waarbij de onderlinge 7906958 PHN 9588 6

Tr verschillen in het emitterend gedeelte en het daartegenover gelegen gedeelte kan worden verkregen door keuze van de hardheid en/of de vorm van de te gebruiken walsrol-oppervlakken. Hoewel voor vele toepassingen, vanwege de 5 relatief grote bundelfouten, minder geschikt, kan aldus ook een hol emitterend oppervlak worden gerealiseerd. In fig. 3e is een doorsnede 49 voor de draad aangegeven waarbij uitgegaan is van een rechthoekige band. Een emitterend oppervlak 50 kan daarbij enigermate zijn afgerond, terwijl 10 een tegenoverliggend oppervlak 51 geheel recht gehouden kan worden en als zodanig een goed bruikbaar richtvlak voor de draad oplevert.

15 20 25 30 35 7906958

Claims (6)

1. Elektronenstraalapparaat met een elektronen bron die een kathode met een in langsrichting verplaatsbare, locaal door een energiestraal te verhitten metaaldraad en, nabij de draad opgesteld, een ten opzichte van de 5 draad positieve potentiaal voerend bundelbegrenzend diadrag-ma bevat met het kenmerk, dat voorzieningen aanwezig zijn om tussen de metaaldraad en het diafragma richtingsspreiding in een door de draad uit te zenden elektronenbundel te reduceren.

2. Elektronenstraalapparaat volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de voorzieningen voor het reduceren van de richtingsspreidhg worden gevormd door een althans in een richting sterk focusserend elektrostatisch- of magnetisch veld. 15

3· Elektronenstraalapparaat volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de metaaldraad een, de richtingsspreiding, van de te emitteren bundel, in een richting dwars op de lengterichting van de draad reducerend profiel heeft.

4. Elektronenstraalapparaat volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de draad een in principe ellipsvormige doorsnede met een ellipticiteit tussen ongeveer 1,5 en 2,5 heeft.

5- Elektronenstraalapparaat volgens conclusie 3 25 met het kenmerk, dat de doorsnede van de draad aan een emissiezijde een afgeplat profiel heeft.

6. Elektronenstraalapparaat volgens een der voor gaande conclusies met het kenmerk, dat de kathodedraad bestaat uit een walsbaar materiaal met een hoge smelttem- 30 peratuur en een nabij de smelttemperatuur relatief lage dampspanning. 35 7906958