DE2937004C2

DE2937004C2 - Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte

Info

Publication number: DE2937004C2
Application number: DE2937004A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dieter Dr.rer.nat.habil. 7570 Baden Baden Riecke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1979-09-13
Filing date: 1979-09-13
Publication date: 1984-11-08
Also published as: US4362945A; DE2937004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen einfach herstellbaren nichtselektiven faseroptischen Multiplexer, bei dem jedem Eingangslichtwellenleiter eines (Lichtwellenleiter-)Bündels ein Kollimationselement zugeordnet ist. Dadurch ist die Anzahl der Eingangslichtwellenleiter (Kanäle) nahezu beliebig wählbar. Bei dem Multiplexer kann die Lichtrichtung umgekehrt werden, so daß ein vielfacher Verteilkoppler entsteht.

Description

_

uj¹

beträgt, wobei m_Q die Ruhmasse der den Strahl bildenden K orpuskeln, e die Elemerrtarladung, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und U die Spannung bedeutet, mit der die Korpuskeln vor der Ablenkung

beschleunigt worden sind.

5. Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das konstante Verhältnis des Betrages *_H des elektrischen Ablenkwinkels zum Betrag am des magnetischen Ablenkwinkels

• »

beträgt, wobei L/r den Abstand des virtuellen Strahlknickpunktes des elektrischen Ablenksystems (5,6) von der Nutzebene bedeutet, Lm den Abstand des virtuellen Strahlknickpunktes des magnetischen Ablenksystems (3) von der gleichen Nutzebene, sowie /H₀, e, cund (idie in Anspruch 4 definierten Größen.
6. Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtungen vorgesehen sind, deren Ablenkebenen aufeinander senkrecht stehen.

7. Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtungen nach den Gesichtspunkten des Anspruchs 3 aufgebaut ist, und daß zwischen ihren beiden in Strahlrichtung hintereinander angeordneten elektrischen und magnetischen Ablcnkfcldern das elektrische oder das magnetische Ablenkfeld oder beide Felder der anderen chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtung angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft eine chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Korpuskulastrahlgeräte werden zur Bestrahlung der Oberfläche eines massiven Festkörpers oder

einer dünnen durchstrahlbaren Schicht, beides im folgenden als Präparat bzw. Präparatoberfläche bezeichnet, verwendet. Solche Korpuskularstrahlgeräte sollen eine Bestrahlungsdosis über einen im Vergleich zum Strahldurchmesser großen Bereich der Präparatoberfläche aufbringen, wobei der Oberflächenbereich beispielsweise rechteckige Form haben kann. Wesentlich ist hierbei, daß der Strahl durch Ablenkfddcr über die Bestrahlungsfläche hinweg abgelenkt wird.

Derartige korpuskularoplischc Geräte werden beispielsweise zur Herstellung hochintegrierter Halbleiter-Schaltungen benutzt, und zwar besonders dann, wenn mit zunehmendem Integrationsgrad die Abmessungen der Schaltungseinzelheiten in die Größenordnung der Lichiwellenlänge kommen, und die photolithographischen Verfahren durch die unvermeidliche Beugung des Lichtes ihre Grenze finden. Eine derartige Möglichkeit, noch

feinere Strukturen herzustellen, ist die Elektronenstrahl-Lithographie. Bei diesem korpuskularoptischen Verfahren ist die Wellenlänge so kurz, daß die Beugung beim Aufzeichnen der Strukturdetails praktisch vernachlässigt werden kann. Damit man sowohl die spezielle Dotierung der extrem fein strukturierten Bereiche der Halbleiter-Oberflächenschicht vornehmen, als aucii die verbindenden Leiterbahnen herstellen kann, kommt es bei der Elektronenstrahl-Lithographie darauf an, die Elektronenbestrahlung auf die zu exponierenden Oberflächenbereiche zu begrenzen, und zwar sowohl was die Abmessungen und die Gestalt der Bereiche angeht als auch ihre genaue Lage auf der Halbleiterscheibe. Zu diesem Zweck überstreicht man die zu exponierenden Stellen in Form eines engen Rasters mit einem fokussierten sehr feinen Elektronenstrahl.

Dies führt zu sehr hohen Anforderungen in bezug auf das präzise Einhalten des jeweils erforderlichen Ablenkwinkels, mit dem der Elektronenstrahl auf die zu bestrahlenden Stellen der Präparatfläche gezielt wird. Eines der hierbei auftretenden Problems wird durch den Farbfehler der Ablenksysteme hervorgerufen. Hält man nämlich das ablenkende Magnetfeld oder das ablenkende elektrische Feld konstant, so vermindert sich mit wachsender Geschwindigkeit bzw. wachsender Energie der Korpuskeln der Ablenkwinkel. Hat der Korpuskularstrahl eine endliche, wenn auch im Vergleich mit der Strahlenenergie kleine Energiebreite, so erstreckt sich auch der Ablenkwinkel über einen entsprechenden endlichen Bereich. Analog wird auch der Auftreffpunkt des Korpuskularstrahles in der Bearbeitungsebene oder auf dem Leuchtschirm zu einem kurzen, in Richtung der Ablenkung liegenden Strich verformt. Beispielsweise führt dies bei Elektronenstrahl-Lithographiemaschinen zu einer Vergrößerung der Breite der exponierten Linien und somit zu einer Begrenzung der korpuskular-optischen Leistungsfähigkeit, d. h. zu einer Verminderung des Auflösungsvermögens, und zwar besonders bei Linienbreiten unter 1 μπι in merklicher Weise.

Nun ist es bisher üblich, entweder ausschließlich magnetische oder ausschließlich elektrische Ablenksysteme zu verwenden, wobei die Entscheidung für eines der Ablenkfelder gewöhnlich nicht nur durch elektronenoptische Überlegungen bestimmt wird, sondern auch andere technische Gesichtspunkte eine oft wesentliche Rolle spielen, wie z. B. der zur Verfügung stehende Platz oder in bezug auf die elektrische Versorgung des Ablenksystems die Fähigkeit, schnell aufeinanderfolgende Signale zu verarbeiten. Aus diesem Grunde sind auch in einigen wenigen Fällen elektrische und magnetische Ablenksysteme gleichzeitig verwendet worden, wobei das von Haus aus langsamere magnetische Ablenksystem den Hauptteil der gewünschten Ablenkung lieferte, während eine im Vergleich dazu kleine, aber schnelle elektrische Ablenkung die Feinpositionierung des Strahls mit hoher Punktfolgefrequenz bewirkte. Die elektrische Ablenkung, die hierbei typischerweise nur wenige Prozent der magnetischen Ablenkung ausmacht, kann dabei der magnetischen Ablenkung gleichgerichtet oder entgegengesetzt gerichtet sein, und die beiden Ablenkwinkel stehen weder in bezug auf die Richtung noch auf den Betrag zueinander in einem festen Verhältnis.

Es sei noch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß in der Technik der Korpuskularstrahlapparate die Verwendung gekreuzter elektrischer und magnetischer Ablenkfelder an sich nichts Neues ist und beim WIEN-Filter zur Ausblendung eines möglichst monochromatischen Elektronenstrahls dient. Beim WIEN-Filter jedoch werden der elektrische und der magnetische Ablenkwinkel so eingestellt, daß sie im Betrag gleich und im Sinn gegeneinander gerichtet sind, so daß das Filter geradsichtig ist und einen erheblichen chromatischen Ablenkfehler aufweist, wobei Strahlen mit bezüglich der Sollenergie abweichender Geschwindigkeit aus der Achse heraus abgelenkt und durch Blenden aufgefangen werden. Der Anwendungszweck des WIEN-Filters ist also dem Zweck der hier vorgelegten Erfindung ganz entgegen gerichtet.

Es ist aber noch ein anderes System bekanntgeworden, das zum Ziel hat, bei einem Elektronenstrahllithographiegerät den chromatischen Ablenkfehler zu kompensieren (E. Munro (1975): Jour. Vac. Sei. Technol. 12 No. 6; S. 1170— 1173). Hierbei wird ein magnetisches Ablenksystem an eine speziell geeignete Stelle in das Magnetfeld einer magnetischen Elektronenlinse plaziert. Die abgelenkten Strahlen laufen somit durch einen Teil der achsenferneren Bereiche des Linsenfeldes. Der chromatische Ablenkfehler ändert dann die Elektronenbahnen gerade in der Weise, daß die hierdurch erfolgte Änderung des auf diese Strahlen wirkenden Teils der Linsenbrechkraft wegen der chromatischen Änderung der Drechkraft der magnetischen Linse, gerade eine solche zusätzliche Ablenkung bewirkt, daß der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf dem Präparat (hier der Halbleiterscheibe) unverändert bleibt. Ein elektrisches Ablenkfeld wird also in diesem Fall nicht verwendet.

Eine Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte der eingangs genannten Art ist aus der DE-AS 25 21 591 bekannt, in der ein Verfahren zum Korrigieren der Verzerrungen eines Korpuskularstrahls von quadratischem Querschnitt beschrieben wird. Zum Bestimmen dieser Verzerrungen wird der Korpuskularstrahl mit einer magnetischen Ablenkeinrichtung periodisch und in einer geschlossenen Kurve über die Fläche eines Strahldetektors hinweggeführt, die senkrecht zur Geräteachse liegt und mit einer in Teilbereichen strahlundurchlässigen Maske bedeckt ist. Die vorzugsweise in Form eines Kreuzes gefertigte Maske weist dabei als Grenze zwischen strahlundurchlässigen und strshldurchlässigen Bereichen Gruppen von Kanten auf, die wechselweise aufeinander senkrecht stehen. Die durch die magnetische Ablenkung geführte Strahlbahn wird nun ihrerseits so gelegt, daß die Bahnkurve beide Kantengruppen senkrecht zu den Kanten überstreicht, was beispielsweise bei einem geeignet zu dem Maskenkreuz orientierten Quadrat oder Rechteck der Fall ist. Man kann dabei aus dem Ausstieg und/oder Abfall des Strahldetektorstromes auf die Kantenschärfe und die Verzerrung des quadratisehen Korpuskularstrahls rückschließen. Als eine wesentliche Eigenschaft dieses Verfahrens wird nun die durch die magnetische Ablenkung bewirkte und mit konstanter Bahngeschwindigkeit auf der geschlossenen Kurve ausgeführte Strahlbewegung von einer weiteren in Richtung der Bahnkurve liegenden und mit höherer Frequenz ausgeführten periodischen Strahlbewegung vergleichsweise kleiner Amplitude überlagert, die durch Ablenkung und einem elektrischen Ablenkfeld hervorgerufen wird. Beim Überstreichen der Kanten der Maske wird hierdurch eine entsprechend periodische Modulation des im Detektor gemessenen Strahlstromes bewirkt, so daß die Anzahl der dabei auftretenden Schwingungen als Maß für die Unscharfe und die Verzerrung des Ladungsträgerstrahls benutzt werden kann. Es ist ersichtlich, daß bei der vorstehend beschriehenpn

elektrische und magnetische Ablenkung zwar in derselben Ablenkebene erfolgen, aber die Ablenkwinkel keineswegs in einem festen Verhältnis zueinander stehen, das eine chromatische Korrektur bewirken würde. Eine chromatische Korrektur wird auch in der DE-AS 25 21 591 gar nicht angestrebt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der Farbfehler der Ablenkung beseitigt oder zum mindesten stark reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Ablenkvorrichtung bietet den technischen Vorzug, daß sie in bezug auf die konstruktive Gestaltung erhebliche Freiheit bietet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den F i g. 1 bis 5 verdeutlicht.

Dabei ist es nicht notwendig, daß sich die elektrischen und die magnetischen Ablenkfelder genau überlagern, wie in Fig. 1 dargestellt, sie können auch in Strahlrichtung gesehen hintereinander liegen. So wird in Fig.2 zuerst die magnetische und darauf folgend die elektrische Ablenkung vorgenommen, in Fig.3 zuerst die elektrische und dann die magnetische Ablenkung.

Im einzelnen bedeutet 1 den einfallenden Korpuskularstrahl, insbesondere Elektronenstrahl, der in Richtung der gestrichelt durchgezogenen Achse gerichtet sei, auf der der Strahl bei fehlender Ablenkung verlaufen möge. Das magnetische Ablenkfeld 2 (in unserem Beispiel senkrecht auf der Zeichenebene stehend) wird in an sich bekannter Weise durch je zwei Spulen 3 erzeugt, die bei den F i g. 1 bis 3 über und unter der Zeichenebene angeordnet zu denken sind, so daß sie, wenn sie vom Strom /durchflossen werden, ein magnetisches Feld Φ am Orte des Strahles erzeugen. In entsprechender, ebenfalls an sich bekannter Weise wird das elektrische Ablenkfeld 4 durch zwei Ablenkplatten 5 und 6 erzeugt, die senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 1 bis 3 stehen und in

der angegebenen Weise an die elektrischen Potentiale —- und + — bezüglich der Gerätewandung gelegt

werden. Bei dieser ebenfalls wohlbekannten Art der Erzeugung des Ablenkfeldes bewegt sich der Strahl dicht bei der Mittelebene des Ablenkfeldes und praktisch auf dem Potential der Gerätewand, d. h. der Anode. Er ändert seine Geschwindigkeit beim Durchtritt durch das Ablenkfeld höchstens in unwesentlicher Weise.

Es ist seit langem wohlbekannt, daß man unter diesen Umständen den von einem elektrischen Ablenkfeld bewirkten Ablenkwinkel durch folgende Formel beschreiben kann:

1 / u
"^E~T ~d Ι)'

Dabei ergibt sich der Ablenkwinkel in radian. L^ ist die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls und u die Spannung zwischen den Ablenkplatten 5,6. / ist die in Strahlrichtung gemessene Länge der Ablenkplatten 5, 6 und d ihr gegenseitiger Abstand. Diese konstruktiven Größen sind zur Verdeutlichung separat in Fig.4 dargestellt. Für einen in Strahlrichtung hinter dem Ablenksystem stehenden Beobachter sieht es dabei bekanntlich so aus, als ob der Elektronenstrahl 1 die Hälfte des Ablenkfeldes in Länge der Strecke 1/2 unbeeinflußt durchflogen hätte, bevor er dort (im Punkt 12) scharf um den Winkel ar abgeknickt worden wäre. In einer Ebene 13, die in der Entfernung Le von diesem (virtuellen) Strahlknickpunkt 12 liegt und senkrecht zur unabgelenkten Elektronenstrahlrichtung steht, wird dann der Elektronenstrahl um die Strecke

Ae = αε ■ Le

verschoben. Die Formeln für <xe und Ay gelten für alle Korpuskularstrahlen, nicht etwa nur für Elektronen.

Bei einem magnetischen Ablenksystem kann man den Ablenkwinkel ebenfalls mit Hilfe einer seit langem bekannten Formel ausrechnen, die für Korpuskeln der Ruhmasse n?o lautet:

e NJ h

«μ-Mo ν^ττ -7ΨΓ τ

"«0 VU "

Den Ablenkwinkel λ_μ findet man wieder in radian ausgedrückt und U ist ebenfalls die Beschleunigungsspan-

nung des Korpuskularstrahls 1. μο = 4λ· · 10~⁷ VsecM · m ist die Permeabilität des Vakuums, e = 1.602 · IO-¹⁹ Asec die Elementarladung, und speziell bei Elektronen /no - 9.1085 · 10~³¹ kg die Ruhmasse.

Das magnetische Ablenkfeld der Flußdichte (Induktion) 5} soll dabei von zwei Spulen 14,15 erzeugt werden, die

in den Fig. 1 bis 3 paarweise vor und hinter der Zeichenebene liegend zu denken sind und deren Position bezüglich des Elektronenstrahls 1 zur Verbesserung der Anschauung in F i g. 5 separat dargestellt ist Die Spulen sollen dabei, in Strahlrichtung gesehen, die Ausdehnung h haben, und ihr magnetisches Streufeld werde durch einen magnetisch hochpermeablen Kurzschlußring 16 des Durchmessers b aufgenommen und kurzgeschlossen.

In der obigen Formel für am bedeutet N die gesamte Windungszahl beider Spulen zusammen, so daß auf die Einzelspule bei symmetrischem Aufbau N/2 Windungen entfallen, die von dem Strom J durchflossen werden. Analog zu den beim elektrischen Ablenkfeld vorliegenden Verhältnissen sieht die korpuskularoptische Wirkung

des magnetischen Ablenksystems für einen in Strahlrichtung hinter dem System stehenden Beobachter so aus, als ob der Korpuskularstrahl 1 zunächst unbeeinflußt auf der Strecke A/2 das halbe Magnetfeld durchfliegen würde, um sodann in dem in der Mittelebene des Feldes liegenden Punkt 17 um den Winkel <xm (virtuell) abgeknickt zu werden. (Wie beim elektrischen Ablenkfeld erfolgt die Ablenkung in Wirklichkeit natürlich

allmählich.) tn der senkrecht zur Richtung des unabgelenkten Korpuskularstrahl stehenden Ebene 18, die die Entfernung Lm von dem virtuellen Abknickpunkt 17 des Korpuskularstrahls haben möge, wird der Auftreffpunkt dieses Strahles dann durch die Ablenkung um die Strecke

Am = xm · Lm

verschoben.

Überlagert man nun magnetische und elektrische Ablenkfeldcr in der in V i g. 1 dargestellten Weise, und zwar so, daß die »virtuellen« Strahlabknickpunkte der Einzclfelder zusammenfallen (Lm = L^ = L), und wählt man weiter die Polungen des magnetischen und des elektrischen Ablenkfeldes so, daß sich die von den beiden Feldern bewirkten Einzelablenkungen voneinander abziehen, so ergibt sich als resultierende Ablenkung

λ = «μ — »ε

mit der entsprechenden Strahlverschiebung (vom »unabgelenkten« Strahlauftreffpunkt 8 zurr·. Auftreffpunkt 10 is in Fig. 1):

A - χ ■ L = AmLm — »v.Le - («m — *e) L.

Liegen die Ablenkfelder in Strahlrichtung getrennt hintereinander (Lm φ Li), so läßt sich die Auslenkung des Strahles berechnen als Differenz der Auslenkungen von Punkt 8 nach Punkt 9 und von Punkt 9 nach Punkt 10 in F i g. 2, bzw. von Punkt 8 nach Punkt 11 und von Punkt 11 nach Punkt 10 in F i g. 3:

Die Auslenkungen A werden nun im allgemeinen durch die chromatischen Ablenkaberrationen Schwankungen AA unterworfen, wenn eine Schwankung AU der Beschleunigungsspannung eintritt. Eine bei Elektronen stets gegenwärtige chromatische Ablenkaberration tritt dadurch auf, daß die Energieverteilung der aus der Kathode emittierten Elektronen eine endliche Breite eAU_cm von größenordnungsmäßig 1 eV hat, was einer entsprechenden Schwankung der Beschleunigungsspannung äquivalent ist.

Es läßt sich nun zeigen, daß es ein spezielles Verhältnis der Größe der Ablenkwinkel gibt, bei dem die Schwankungen AA und somit die chromatieren Ablenkaberrationen verschwinden. Diese besonderen Bedingungen werden im folgenden dargelegt, und sie beinhalten eine Konstruktionsvorschrift zum Aufbau eines chromatisch korrigierten Ablenksystems. Es soll jetzt dargelegt werden, worauf es hierbei ankommt

Aus den obigen Gleichungen für &e und am läßt sich ableiten, daß bei einer Änderung eAUder Korpuskelenergie folgende Änderungen der Ablenkwinkel auftreten:

AU
Aa_E - -a_E -jj-

AU

Die entsprechenden Änderungen AA der Strahlauslenkung A ergeben sich bei der Anordnung mit Überlagerten Ablenksystemen nach F i g. 1 zu

1 \ AU .

bei getrennten Ablenksystemen nach F i g. 2 und 3 ergibt sich

AA-\a_EL_E- — «mL*)— ■

Bei dem Ausführungsbeispiel der chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtung nach F i g. 1 mit überlagerten elektrischen und magnetischen Ablenkfeldern gilt daher für die Ablenkwinkel:

afc--=- <*ti ·

²

Bei einer getrennten Anordnung der Ablenkfelder entsprechend dem Ausführungsbeispiel, nach F i g. 2 oder Fig.3 müssen die Ablenkwinkel für das Erzielen der Korrektur der chromatischen Ablenkfehler folgende Bedingung erfüllen:

1 L_k

Lg

Unter diesen Bedingungen hebt die chromatische Aberration des elektrischen Ablenkfeldes die chromatische Aberration des magnetischen Ablenkfeldes gerade auf, und zwar muß dazu die elektrische Ablenkung der magnetischen entgegengesetzt gerichtet sein, so daß sich für den resultierenden Ablenkwinkel bei der Anordnung nach F i g. 1 mit überlagerten Ablenksystemen ergibt:

a - au - α _E

Mit getrennten Ablenksystemen nach F i g. 2 oder F i g. 3 erreicht man den resultierenden Ablenkwinkel

2L_E-L„

Die vorstehenden Erörterungen legen eine Konstruktionsvorschrift für Aufbau und Betriebsweise einer chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtung dar, und zwar für die lineare Ablenkung innerhalb einer die unabgelenkte Strahlrichtung enthaltender! Ebene und auf einer Linie innerhalb der Präparatfiäche. Will man über die ganze Präparatfläche hinweg zweidimensional ablenken, so wird man in an sich bekannter und üblicher Weise eine zweite chromatisch korrigierte elektrisch-magnetische Ablenkvorrichtung benutzen, deren Ablenkebene gegen die Ablenkebene der ersten Vorrichtung mit der Richtung des unabgelenkten Strahls als Achse um 90° gedreht ist. Es ist dabei keineswegs notwendig, daß die beiden chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtungen gleich aufgebaut sind. Beispielsweise kann es aus Platzgründen günstig sein, eine überlagerte Ablenkvorrichtung nach F i g. 1 um 90° um die Strahlachse gedreht zwischen den beiden Ablenksystemen nach F i g. 2 oder F i g. 3 anzuordnen.

Ein anderer wichtiger Punkt ist, daß für die Erreichung der chromatischen Korrektur die spezielle Gestaltung der ablenkenden Felder keine Rolle spielt. In die oben angegebenen Formeln für Δκε und Δχμ gehen ja die konstruktiven Gestaltsparameter nicht mehr ein. So können die (oder eines der) Ablenkfelder kurz und entsprechend stark oder lang und entsprechend schwach gemacht werden; das ist für die Erreichung der Korrekturwirkung ganz gleichgültig. Es ist auch nicht notwendig, daß die Ablenkfelder einigermaßen homogen sind, wie es die in Fig.4 und Fig. 5 dargestellten Ablenksysteme nahelegen könnten. Man könnte beispielsweise durchaus die elektrischen Ablenkplatten nach Fig.4 in Richtung des Strahles keilartig auseinandergehen lassen, wie es bekannterweise z. B. für die Ablenkplatten von Kathodenstrahloszillographen als zweckmäßig gefunden wurde. Zur Dimensionierung der chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtung muß man dann aber den virtuellen Knickpunkt des Strahles kennen, dessen Entfernung von der Nutzebene in die Konstruktionsformeln eingeht.

Die erfindungsgemäße chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung kann nicht nur in der Elektronenstrahllithographie sondern in entsprechend angepaßter Weise auch in anderen Korpuskularstrahlgeräten, wie Korpuskularstrahlmikroskopen, Korpuskularstrahl-Beugungsapparaten und Korpuskularstrahl-Interferometern verwendet werden und dabei beispielsweise zur Justierung des Strahles dienen.

Das bisher ausgeführte geht von der stillschweigenden Annahme aus, daß die kinetische Energie der die Korpuskularstrahlung bildenden Korpuskeln klein im Vergleich zu ihrer Ruhenergie ist. Mathematisch läßt sich dies folgendermaßen ausdrücken:

eU < mod¹.

Dabei bedeutet U die Beschleunigungsspannung, c die Elementarladung e = 1.602 · 10-'" Asec, mo die Ruhmasse der Korpuskel und c = 2.998 ■ 10"m/sec die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Beispielsweise ist für Elektronenstrahlen mac² - 510 keV, und da bei der Elektronenstrahllithographie die Beschleunigungsspannung U unter 50 IcV liegt, treffen für Elektroncnstrahllithographiegeräte die obigen, auf der klassischen Physik basierenden Überlegungen auch quantitativ zu.

Bei höheren Strahlspannungen, wie sie z. B. bei Hochspannungselektronenmikroskopen mit Beschleunigungsspannungen von größenordnungsmäßig 1 MV Verwendung finden, muß eine Behandlung im Rahmen der Relativitätstheorie Platz greifen.

Der Ablenkwinkc! IaSt sich dann für den Fail des elektrischen Ablenksystems folgendermaßen schreiben:

wobei

U +

Bl₀C²

einen relativistischen Korrekturfaktor darstellt. Dieser hat im »klassischen« Beschleunigungsspannungsbereich eU < n>oc² den Wert 9 =■ \. Mit wachsender, immer mehr in den relativistischen Bereich vordringender Beschleunigungsspannung wächst auch Ψ stetig, bis es bei extrem hohen Spannungen ei/ > nioc² gegen den Grenzwert iP = 2 läuft.

Die entsprechende chromatische Aberration des Ablenkwinkels hut die l'orm

Aä.
°^Er U

Der relativistische Korrekturfaktor

Φ (U)-I- -77 =ΤΓΓ

hat bei klassischen und bei sehr hohen Beschleunigungsspannungen U > ;noc°/eden Wert Φ — \, während er im schon relativistischen Zwischenbereich um 1 MV etwas abfällt und bei U = ^7WoC²Ze das Minimum Ψ =- 0.83 is annimmt.

Bei Benutzung eines magnetischen Ablenksystems ist der Ablenkwinkel

V NJ

Der relativistische Korrekturfaklor

/rrv 1

2w_oc

hat für Elektronen im klassischen Strahlspannungsbereich U < 0.5 MV den Wert Ψ— 1. Mit wachsender Beschleunigungsspannung sinkt er kontinuierlich und nimmt beispielsweise bei LZ = 3 MV den Wert Ψ = 0.5 an, und bei U - 100 MV wird Ψ = 0,1.

Die Änderung des Ablenkwinkels durch den chromatischen Ablenkfehler beträgt für das magnetische Ablenksystem

1 A" cm

^ Ομ,γ " - -γ «η.,· —r- ■ μ (U)-

Der hier benutzte relativistische Korrekturfaktor

läuft von μ = 1 im klassischen Spannungsbereich U < IrI₀C²Ze bis gegen den Grenzwert μ = 2 für sehr hohe Strahlspannungen U > ma&lc.

Von diesen Gleichungen ausgehend lassen sich jetzt, in genauer Entsprechung zu dem oben ausgeführten Bedingungen angeben, die dem Aufbau und der Betriebsweise von Ausführungsbeispielen von chromatisch so korrigierten Ablenkvorrichtungen im relativistischen Teilchenenergiebereich U ξ ITInC²Ze zugrunde gelegt werden müssen.

Für eine Anordnung nach F i g. 1 mit an gleichem Ort überlagerten elektrischen und magnetischen Ablenksystemen findet man, daß zur Erzielung der chromatischen Korrektur die einander entgegengesetzt gerichteten Ablenkwinkel Xm. γ und xf. γ folgender Bedingung gehorchen müssen:

Dabei stellt cü(U) einen relativistischen Korrekturfaktor dar, der folgendermaßen definiert ist: eo

e J e 2

Ähnlich wie bei μ(ί/) erstreckt sich der Wertebereich für co(U) von ω = 1 für den klassischen Beschleuni-

gungsspannungsbereich U -< In₀C²Ie bis zu <y =* 2 für extrem hochenergetische Strahlen mit t/ > moc*/e. Irr Mittelbereich um 1 MV wächst lediglich w(U) etwas rascher an als u/i# Der resultierende Ablenkwinkel ergibi sich zu

«Hr -

-γβ (U)J.

Bei sehr hohen Strahlenenergien, bei denen io(U)seinem Grenzwert 2 nahe kommt, ist daher eine chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung nach F i g. 1 nicht brauchbar, weil der resultierende Ablenkwinkel verschwindet Wenn man beispielsweise Elektronenstrahlen, die auf U = t MV beschleunigt worden sind, mit Hilfe einei chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtung nach F i g. 1 ablenkt, so wird bei fest vorgegebenem Strom in der Ablenkspulen nur 10% desjenigen Ablenkwinkels erzielt, den das magnetische Ablenksystem allein, also ohne Überlagerung durch das zugehörige elektrische Ablenkfeld, bewirken würde. Bei einer Strahlspannung vor U — 3 MV reduziert sich der Ablenkwinkel der korrigierten Vorrichtung sogar auf nur 2°k desjenigen Ablenk-

is winkeis, den das in gleicher Weise betriebene magnetische Ablenksystem separat hervorriefe.

Im relativistischen Fall wird bei einer chromatisch korrigierten Ablenkvorrichtung nach F i g. 1 die magnetische Ablenkung zu wesentlichen Teilen durch die überlagerte elektrische Ablenkung wieder aufgehoben Separat sind beide Ablenkungen also etwa gleich groß und viel größer als der resultierende Ablenkwinkel. Nun sind der elektrischen Ablenkung von Elektronenslrahlen bei wachsender Beschleunigungsspannung hinsichtlich der erreichbaren Ablenkwinkel dadurch Grenzen gesetzt, daß es dann immer schwieriger wird, die erforderlichen, ebenfalls wachsenden Ablenkspannungen an den Ablenkplatten aufzubringen. Das Erreichen der Überschlagsspannung setzt dabei schließlich eine physikalische, nicht überschreitbare Grenze. Bei der magnetischen Ablenkung tritt diese Begrenzung in der Praxis durch Erreichen e'er Sättigungsmagnetisierung der zur Verfügung stehenden fcrromagnetischen Materialien ein und wird erst bei vergleichsweise viel höher beschleunigten Elektronen fühlbar.

Für diese sehr hohen Strahlenergien ist eine Anordnung nach F i g. 2 oder F i g. 3 nicht günstiger. Für diese lautet die relativistisch richtige Bedingung für den Zusammenhang, den die Ablenkwinkel für die Erzielung der chromatischen Korrektur erfüllen müssen,

e_er - i- α*_Γ 4* · (10.

Für die resultierende Ablenkstrecke in der Präparateebene ergibt sich dann Λ, - e«r · L_M - a_ErL_E - aH,L„ (j - γ ω (U)\

Erfindungsgemäße chromatisch korrigierte Ablenkvorrichttingen sind daher in ihrer Anwendung auf solche Korpuskularstrahlen begrenzt, bei denen die den Korpuskeln durch die Beschleunigungsspannung zugeführtc Energie einige wenige Vielfache der Ruhenergie der Korpuskel nicht übersteigt.

Hierzu 4 BIaIl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte, insbesondere Elektronenstrahlgeräte, bei der für die Strahlablenkung ein elektrisches und ein magnetisches Ablenkfeld gleichzeitig

benutzt werden, wobei die beiden Ablenkfelder senkrecht, und zwar so zueinander orientiert sind, daß die Strahlablenkungen durch die zusammengehörenden Felder in ein- und derselben, den unabgelenkten Strahl enthaltenden Ablenkebene erfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ablenkung der magnetischen Ablenkung entgegengesetzt gerichtet ist, derart, daß das Verhältnis des Betrages des elektrischen Ablenkwinkels zum Betrag des magnetischen Ablenkwinkels einen unabhängig vom resultierenden

ίο Gesamtablenkwinkel konstanten Wert behält, der so gewählt ist daß sich die chromatischen Ablenkfehler der zusammengehörenden Ablenkfelder (2, 4) in bezug auf ihre Wirkung auf die Strahlposition in der Nutzebene gerade kompensieren.

2. Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß sich die zusammengehörenden elektrischen (4) und magnetischen (2) Ablenkfelder

is gegenseitig überlagern (Fig. 1).

3. Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte nach Anspruch I₁ dadurch gekenn?eichnet, daß die zusammengehörenden elektrischen (4) und magnelischen (2) Ablenkfelder in Strahlrichiung gesehen hintereinander angeordnet sind (F i g. 2).

4. Chromatisch korrigierte Ablenkvorrichtung für Korpuskularstrahlgeräte nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das konstante Verhältnis des Betrages ** des elektrischen Ablenkwinkels zum

Betrag ac_M des magnetischen Ablenkwinkels