在靜電聚焦系統(tǒng)中形成電流密度的均勻分布的復(fù)合裝置的制作方法

專利名稱：在靜電聚焦系統(tǒng)中形成電流密度的均勻分布的復(fù)合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于任何光電系統(tǒng)(EOS)的用于在靜電區(qū)域中將電子束聚焦為具有電流密度的均勻分布和/或高達(dá)50倍或更高的均勻或顯著縮小倍率層流的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有在電真空裝置中的靜電聚焦系統(tǒng)，其具有要求電子束發(fā)射和變換的不同應(yīng)用。這些系統(tǒng)通常已知為陰極射線管(CRT)、EOS、電子束、和電子槍系統(tǒng)，它們?cè)谄湎到y(tǒng)中以電流密度的高斯分布聚焦電子束，并且被應(yīng)用在多種裝置中，其包括但不限于電子槍系統(tǒng)；CRT顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)；電子束光刻設(shè)備；用于發(fā)射和變換的電子束管；光電望遠(yuǎn)鏡和光電鏡系統(tǒng)；高速光子技術(shù)設(shè)備；用于線性電子束加速的靜電聚焦系統(tǒng)和X射線管；電子投射器系統(tǒng)，投射CRT和娛樂CRT ；光電轉(zhuǎn)換器(EOC)和PCRT光子陰極射線管；CRT替代系統(tǒng)；CRT監(jiān)視器，TV監(jiān)視器，圖形、診斷和數(shù)據(jù)顯示器，和工業(yè)、醫(yī)藥、彩色、單色、 P. 0.和銷售監(jiān)視器；軍事顯示器，俯視和仰視顯示器和瞄準(zhǔn)顯示器；空中交通控制CRT、防御CRT、飛點(diǎn)CRT、高清晰度CRT、層壓式CRT、雷達(dá)CRT、聲納 CRT、和監(jiān)控CRT ；研究與開發(fā)CRT、研究與海洋系統(tǒng)、和在等離子體科學(xué)設(shè)備中的電子槍系統(tǒng)；用于測(cè)試紅外(IR)傳感器的高性能EOS ；用于電子棉衣物(electronic cotton wear)處理的 EOS ；用于寶石升華的EOS;計(jì)算機(jī)軸向?qū)游龀上窦夹g(shù)；在上面列出的項(xiàng)目中，電流密度函數(shù)的積分特征在于它具有高斯分布，這固有地?fù)p失了大約60%的信號(hào)源。即使對(duì)于其源由均勻發(fā)射定義的傳統(tǒng)的陰極技術(shù)這也是一直存在的基本問題。該問題進(jìn)一步延伸到CRT視頻系統(tǒng)領(lǐng)域，其中，由于高斯分布導(dǎo)致存在殘余光柵線(在圖7B中示出)。這導(dǎo)致在每一個(gè)像素中的源信息的丟失。相比之下，在圖7A 中示出理想情形，其中，均勻分布使得每一個(gè)像素具有矩形形式的殘余光柵，其中，100 %的源信息被保持。傳統(tǒng)技術(shù)通常要求非常小的聚焦點(diǎn)尺寸。這在只有大約4倍或6倍的縮小倍率 (demagnification)的實(shí)際系統(tǒng)中是可能的。在諸如電子束光刻的其中要求納米范圍的聚焦點(diǎn)大小的領(lǐng)域中，由于多級(jí)濾波使得多級(jí)聯(lián)系統(tǒng)將導(dǎo)致0. 25nA的小電流。在SEM，電子束光刻、光電顯微鏡、和高速光子技術(shù)設(shè)備中，需要大約50到1000倍的光縮小倍率。然而，需要更高的電流(通常在mA的范圍中)來減少曝光區(qū)域中的工作時(shí)間。通常，靜電聚焦系統(tǒng)是負(fù)責(zé)從源發(fā)射的電子束的變換的光電裝置的部分。靜電聚焦系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在系統(tǒng)中的靜電聚焦區(qū)域中獲得電流密度的高斯分布。該成果可用于幾乎所有光電裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于在EOS的靜電區(qū)域中將電子束變換為具有電流密度的均勻分布或者至少基本上均勻分布的層流的方法和設(shè)備。另外，本發(fā)明使得能夠使用目前存在的陰極實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)大小的高達(dá)50倍或更高的均勻或顯著的縮小倍率。本發(fā)明不需要任何特殊的儀器并且被設(shè)計(jì)成在靜電聚焦區(qū)域中實(shí)現(xiàn)電流密度的基本上均勻的分布，從而導(dǎo)致在從陰極到陽極、屏幕、或任何目標(biāo)的電子發(fā)射的傳送中的可能的零功率損耗。


下面的附圖是本發(fā)明的實(shí)施例的示例性說明，并且并不意在限定由權(quán)利要求書涵蓋的本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的具有可調(diào)屏幕系統(tǒng)的一系統(tǒng)的實(shí)施例。圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的EOS的實(shí)施例，其提供具有電流密度的均勻分布的電子的層流。圖2B是根據(jù)本發(fā)明的EOS的實(shí)施例的三維視圖，其提供具有電流密度的均勻分布的電子的層流。圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的具有近陰極電極系統(tǒng)的陰極組件。圖;3B是根據(jù)本發(fā)明的具有近陰極電極系統(tǒng)的陰極組件的實(shí)施例的三維視圖。圖3C是根據(jù)本發(fā)明的圖IBB的橫截面的三維視圖。圖4是如在圖1中的靜電聚焦區(qū)域的實(shí)施例的概略，該靜電聚焦區(qū)域被構(gòu)造為包括第二陽極，而且第一陽極電極系統(tǒng)的背側(cè)具有不同的幾何形式。圖5A示出在不使用空間電荷計(jì)算方法的情況下的帶有具有電流密度的均勻分布的電子流的系統(tǒng)的實(shí)施例中的電子軌跡。圖5B示出在使用空間電荷計(jì)算方法的情況下的帶有具有電流密度的均勻分布的電子流的系統(tǒng)的實(shí)施例中的電子軌跡。圖6示出是EOS中的電子束的特征的電子軌跡，并且示出在電流密度的均勻分布和大約30X倍率的情況下的光學(xué)參數(shù)。圖7A示出與在圖5A、5B和7中所示的其形狀為矩形的軌跡相關(guān)的光柵掃描線，導(dǎo)致圖2中所示的裝置中的電流密度的均勻分布。圖7B示出殘余光柵線調(diào)制，其中，相鄰線重疊，并且輪廓是傳統(tǒng)EOS裝置中常見的電流密度的高斯分布。
具體實(shí)施例方式參考附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件，圖1示出根據(jù)本發(fā)明的EOS的優(yōu)選實(shí)施例，其具有至少3個(gè)電極系統(tǒng)和可調(diào)屏幕系統(tǒng)，該可調(diào)屏幕系統(tǒng)在靜電部分中形成具有電流密度的均勻分布的層壓電子流并且在無電場(chǎng)空間中延續(xù)到可調(diào)屏幕，或者替代地，任何電子束直接測(cè)量裝置。EOS中的靜電部分通常包括場(chǎng)形成近陰極電極系統(tǒng)、聚焦電極系統(tǒng)、和陽極電極系統(tǒng)，它們每一個(gè)在下面進(jìn)行詳細(xì)的討論。靜電部分也可以在包括被設(shè)計(jì)為用于交叉的像差校正的額外的陽極。場(chǎng)形成近陰極電極系統(tǒng)和聚焦電極系統(tǒng)一起被認(rèn)為是用于具有電流密度的均勻分布的層壓電子流的形成的源，并且還創(chuàng)造了顯著的縮小倍率的機(jī)會(huì)。靜電場(chǎng)形成從聚焦電極系統(tǒng)延續(xù)到陽極電極系統(tǒng)。所有電極系統(tǒng)被優(yōu)選地設(shè)計(jì)為關(guān)于縱向軸線對(duì)稱。靜電部分被認(rèn)為是EOS的與第二部分電絕緣的第一部分，如在圖1中的分割線所表示的。第二部分是具有可調(diào)屏幕系統(tǒng)16的無電場(chǎng)空間，可調(diào)屏幕系統(tǒng)16水平地(在圖 1中的相關(guān)箭頭14的方向上)移動(dòng)，用于測(cè)量電子束15的不同部分。因此，通過移動(dòng)屏幕系統(tǒng)16靠近或遠(yuǎn)離分割線，屏幕系統(tǒng)16能夠測(cè)量電子束15的不同軸向部分。由定義靜電部分的邊界的結(jié)構(gòu)和其中形成電場(chǎng)的本體11 一起提供分割線，并且包括開口，電子束通過該開口射出靜電部分。圖1中所示的陰極電極系統(tǒng)包括陰極1和場(chǎng)形成近陰極電極系統(tǒng)，該場(chǎng)形成近陰極電極系統(tǒng)包括平面部分2、具有曲率半徑并且與平面部分2鄰接的曲線部分3、和與該曲線部分3鄰接的柱形部分4。曲線部分3可以是錐形的、球面的、或橢圓的，只要幾何形狀體保持與本發(fā)明一致。近陰極電極系統(tǒng)，即，元件2、3、4的組合具有與陰極1相同的電勢(shì)，并且通過腔體與陰極1及其組件分離，該腔體也可以被認(rèn)為是將近陰極電極系統(tǒng)與陰極1物理地分離的空間(在下面描述的圖3A中被更好地表示)。然而，存在本發(fā)明的可能的實(shí)施例，其中，近陰極電極系統(tǒng)2、3、4和陰極1被以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式電連接在一起。腔體防止了近陰極電極系統(tǒng)2、3、4被陰極1污染，如果在近陰極電極系統(tǒng)2、3、4 和陰極1之間在它們的前表面處存在直接物理連接，即接觸，則將會(huì)發(fā)生該污染。陰極1要求如下的表面，S卩，該表面具有平面形式并且能夠發(fā)射具有均勻電流分布的電子，并且該陰極1可以是金屬或單晶體，并且可以被布置為熱電子或冷陰極系統(tǒng)和被焊接到在同一平面上的環(huán)形材料。陰極1、環(huán)形材料、和加熱系統(tǒng)一起構(gòu)成陰極組件。圖2A示出EOS的優(yōu)選實(shí)施例，其中，元件Ia是陰極組件和近陰極電極系統(tǒng)，元件 2a是聚焦電極系統(tǒng)、元件3a是陽極電極系統(tǒng)，元件如是可調(diào)屏幕系統(tǒng)，元件fe是連接器系統(tǒng)，并且元件6a是移動(dòng)可調(diào)屏幕系統(tǒng)如的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。如在圖2A中所示，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括兩個(gè)清楚描述的部分，其中，第一部分是靜電部分，其中存在陰極組件和近陰極電極系統(tǒng)la、聚焦電極系統(tǒng)加、和陽極電極系統(tǒng)3a，而第二部分與第一部分電絕緣并且是包括可調(diào)屏幕系統(tǒng)如的無電場(chǎng)空間。圖2B示出諸如在圖2A中所示的多功能EOS裝置的三維視圖，其中，生成了具有電流密度的均勻分布的電子束。圖2B更清楚地示出系統(tǒng)的第一和第二部分可以被安裝在同一結(jié)構(gòu)上并且被布置在同一殼體或外殼中。圖3A示出陰極組件和近陰極電極系統(tǒng)，其中，“d”是圖1中的陰極1的直徑，“C” 是圖1中的近陰極電極系統(tǒng)2、3、4和陰極1之間的腔體的厚度，“b”是圖1中的平面部分2 的厚度，“ML”是圖1中的曲線部分3的尺寸，并且“a”是圖1中的柱形部分4的高度。
圖;3B和3C示出陰極組件和近陰極電極系統(tǒng)2、3、4在一起的三維視圖。不管陰極 1的構(gòu)成和大小以及陰極1是否被加熱，陰極1都被構(gòu)成為使得它能夠維持用于均勻或基本上均勻的電子發(fā)射的條件。陰極1和近陰極電極系統(tǒng)2、3、4處于大約0. 25kV到大約800kV的負(fù)電壓。該范圍不是限制性的，并且可以應(yīng)用其他最小和/或最大負(fù)電壓，并且此外，可以在本發(fā)明中應(yīng)用其它范圍的負(fù)電壓。圖4示出本發(fā)明的另外的變型，其包括在由殼體或本體限定的靜電空間中的第二陽極電極系統(tǒng)22、在靜電空間和也由殼體或主體限定的無電場(chǎng)空間之間的絕緣體23。因此，殼體或主體限定了在其之間具有開口的兩個(gè)單獨(dú)的空間，電子束通過該開口從靜電空間到無電場(chǎng)空間(電子束的路徑清楚地在圖5A和5B中示出)。在CPO (帶電顆粒光學(xué))仿真軟件中在優(yōu)化處理中與第二陽極形式和空間位置一起確定可以具有不同幾何形式和空間位置的第一陽極電極系統(tǒng)20的背側(cè)。CPO可以用來輔助系統(tǒng)中的電壓和任何其它相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化。圖4還示出第一陽極20可以被構(gòu)造為第一陽極20的內(nèi)側(cè)和外側(cè)彼此分隔開至少一部分，以提供具有可變寬度的第一陽極20并且從而形成不同的幾何形式(并且該構(gòu)造可以用在這里公開的其它任何實(shí)施例中)。類似地，第二陽極22可以被構(gòu)造為第二陽極22的內(nèi)側(cè)和外側(cè)彼此分隔開至少一部分，以提供具有可變寬度的第二陽極22并且從而形成不同的幾何形式。在這里公開的任何實(shí)施例中可以使用諸如圖4中所示的第二陽極22的額外的陽極。而且，上面討論的任何系統(tǒng)可以包括在聚焦的電子束的方向上布置的兩個(gè)或更多額外陽極，例如，與第二陽極22分隔開并且具有均勻厚度或可變厚度的第三陽極。圖5A和5B示出電子的從陰極到在EOS的無電場(chǎng)區(qū)域的可調(diào)屏幕系統(tǒng)16的大致軌跡，示出具有交叉的電流密度的均勻分布。圖6示出陰極的直徑(Dc)，屏幕上的聚焦點(diǎn)的直徑(Ds)、交叉點(diǎn)(Pc)、和從陰極到屏幕的長(zhǎng)度(L)。這些描述同樣適用于圖5A和5B。近陰極電極系統(tǒng)的來自圖1的平面部分2位于陰極1的同一平面或者陰極1的平面之后，并且然后，在離開陰極1的中心的方向上，導(dǎo)向曲線部分3。而且，可以選擇陰極1 的半徑和平面部分2的半徑以通過示例實(shí)驗(yàn)優(yōu)化本發(fā)明。柱形部分4的尺寸的優(yōu)化簡(jiǎn)化了水平軸線上的交叉點(diǎn)的控制。因此，實(shí)現(xiàn)了聚焦點(diǎn)大小的期望的減小。而且，如果必要，則通過電極形狀、大小和空間參數(shù)的優(yōu)化，在靜電區(qū)域中的電場(chǎng)的優(yōu)化處理是可能的。而且，如果必要的話，可以利用伺服控制方法調(diào)節(jié)柱形部分4的位置。對(duì)柱形部分4所做的任何修改或調(diào)整還必須對(duì)柱形部分10做出，以保持設(shè)計(jì)的對(duì)稱性。EOS還包括具有不同形式的聚焦電極系統(tǒng)。曲線部分可以是錐形的、球面的、或橢圓的，只要幾何體與示出的本發(fā)明一致。返回參考到圖1，通常，每一個(gè)聚焦電極系統(tǒng)具有從平面部分7開始，靠近中心或縱向軸線的特定形式，在離開軸線的方向上，連接到曲線部分5和6，曲線部分5和6然后連接到水平部分12，并且包括中心開口，該中心開口沿著圖1中所示的水平軸線。開口因此覆蓋系統(tǒng)的水平軸線并且優(yōu)選地具有與其對(duì)準(zhǔn)的中心。水平部分12可以被認(rèn)為是內(nèi)側(cè)電極， 該內(nèi)側(cè)電極被布置在平面部分和曲線部分5、6之間限定的內(nèi)部空間中。該內(nèi)側(cè)電極可以從平面部分5的下邊緣和上邊緣延伸跨過其之間的空間，即，從由曲線部分5、6限定的聚焦電極中的開口的邊界延伸。通過調(diào)節(jié)平面部分7的長(zhǎng)度能夠進(jìn)行在靜電聚焦區(qū)域中的場(chǎng)的優(yōu)化；然而，還需要調(diào)整部分5和6，使得部分5、6、7和12保持連接在一起。在優(yōu)選實(shí)施例中，要求曲線部分 5和6相同并且關(guān)于平面部分7對(duì)稱。在圖1中也示出的聚焦電極系統(tǒng)(5、6、7和12)連接到本體11使得能夠使聚焦電極系統(tǒng)接地(由13表示)。如果沒有連接到本體11，則聚焦電極系統(tǒng)也可以具有除了接地之外的不同電壓。通常，聚焦電極優(yōu)選地關(guān)于連接平面部分 7對(duì)稱。EOS還包括陽極電極系統(tǒng)，該陽極電極系統(tǒng)布置在聚焦電極系統(tǒng)的面向近陰極電極系統(tǒng)的對(duì)側(cè)，并且由平面部分8、曲線部分9、與曲線部分9鄰接的柱形部分10、和由在水平軸線和平面部分8的開端之間的距離限定的開口構(gòu)成。曲線部分9可以具有錐形的、球面的、或橢圓的形式，曲線部分3作為鏡像，并且結(jié)果，近陰極電極系統(tǒng)和陽極電極系統(tǒng)關(guān)于縱向軸線對(duì)稱地相同。柱形部分3和9的尺寸比例和對(duì)稱性創(chuàng)造了用于EOS的設(shè)計(jì)的不同開發(fā)的機(jī)會(huì)。這三個(gè)形狀可以被用在每一個(gè)版本(version)中，只要幾何體保持與本發(fā)明一致。例如，如果柱形部分3是球面的，則相應(yīng)地柱形部分9也是球面的。柱形部分10可以具有與近陰極電極系統(tǒng)的柱形部分4相同的形式，并且柱形部分 10和柱形部分4的長(zhǎng)度是相等的。陽極電極系統(tǒng)的所有電極以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式電連接在一起。陽極電極系統(tǒng)處于大約0.25kV到大約SOOkV的正電壓。該范圍不是限制性的，并且可以應(yīng)用其他最小和/或最大正電壓，并且此外，可以在本發(fā)明中應(yīng)用其它范圍的正電壓。而且，施加到陽極的正電壓可以具有與施加到陰極的負(fù)電壓相同的量值。場(chǎng)形成近陰極電極系統(tǒng)和聚焦電極系統(tǒng)沿著水平軸線定位，并且被容納在圖1中所示的本體11內(nèi)。本體11的通常功能是限制用于電場(chǎng)的空間。根據(jù)陰極電極系統(tǒng)、聚焦電極系統(tǒng)、陽極電極系統(tǒng)、和可調(diào)屏幕系統(tǒng)的尺寸計(jì)算本體11的尺寸。所有這些系統(tǒng)由使能根據(jù)本發(fā)明的EOS的使用的材料構(gòu)造。利用圖1中所示的優(yōu)選實(shí)施例的不同變型，也可以實(shí)現(xiàn)電流密度的均勻分布或基本上均勻的分布。在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)，不同變型和修改是可能和被想到的，只要電極之間的參數(shù)關(guān)系保持符合本發(fā)明的概念，如下所述。而且，修改可涵蓋不同的應(yīng)用，同時(shí)保持電流密度的均勻分布。這些修改包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)可能的變型僅包括向著陰極電極系統(tǒng)突出的單個(gè)曲線部分5，而沒有曲線部分6。如此，曲線部分5的凸側(cè)面向陰極電極系統(tǒng)，同時(shí)凹側(cè)面向陽極電極系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)可能的變型包括陰極電極系統(tǒng)和陽極電極系統(tǒng)之間的對(duì)稱性。例如，曲線部分9和柱形部分10沒有被設(shè)置在陽極電極系統(tǒng)中。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一可能的變型略去了電極6、9和10，S卩，曲線部分6、9和 10。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一可能的變型在陽極電極系統(tǒng)中不包括環(huán)形的開口部分。例如，X射線技術(shù)對(duì)于整個(gè)部分8將使用諸如鎢的材料。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一可能的變型允許柱形部分4和10的同步調(diào)整。可調(diào)屏幕系統(tǒng)16包括用于電子束參數(shù)的直接測(cè)量的另外機(jī)會(huì)，例如，CCD相機(jī)代替可調(diào)屏幕系統(tǒng)16中的屏幕，并且作為可調(diào)屏幕系統(tǒng)執(zhí)行。例如，可以例如經(jīng)由通過PC的伺服控制或手動(dòng)地控制屏幕系統(tǒng)16的調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的EOS的重要結(jié)構(gòu)特征是基于用于為了設(shè)計(jì)的繪制而定義和計(jì)算EOS 的所有空間坐標(biāo)和特性的概念方法CGMR(圓錐和黃金平均比率“cone and golden mean ratio”)。概念方法的本質(zhì)是創(chuàng)建多個(gè)虛擬圓錐，例如，其中提供六個(gè)虛擬圓錐的優(yōu)選構(gòu)造。它們被定義如下圓錐頂點(diǎn)的位置和黃金平均比率的使用被用來定義曲線部分3 的半徑和曲線部分5的半徑，相同的方法被用來獲得圖1中所示的柱形部分6和9的半徑值。當(dāng)圓錐頂點(diǎn)位于水平軸線和曲線部分9的中心的交叉處時(shí)(如在圖1中所描述的)，定義設(shè)計(jì)繪制的參數(shù)用于近陰極電極系統(tǒng)。當(dāng)開口形成在其中時(shí)曲線部分9的中心可以是虛擬中心，或者可以是曲線部分9上的實(shí)際點(diǎn)。重要的是，當(dāng)系統(tǒng)處于水平構(gòu)造時(shí)，定義水平軸線。然而，當(dāng)系統(tǒng)不是水平構(gòu)造時(shí)，用于解釋目的的“水平軸線”將視為系統(tǒng)的縱向軸線。 在該情形中，從場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)的平面部分2到曲線部分3的過渡區(qū)域的邊界位于第一虛擬圓錐的表面上，該第一虛擬圓錐在曲線部分9，即陽極電極系統(tǒng)的中心的位置處具有系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)。類似地，當(dāng)圓錐頂點(diǎn)位于圖1的坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)時(shí)，定義設(shè)計(jì)繪制的參數(shù)用于陽極電極系統(tǒng)，同時(shí)保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)于來自聚焦電極系統(tǒng)的平面部分7的對(duì)稱性。在該情形中，從陽極電極系統(tǒng)的平面部分8到曲線部分9的過渡區(qū)域的邊界位于第二虛擬圓錐的表面上，該第二虛擬圓錐在場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)的中心處的位置處具有系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)。而且，根據(jù)位于先前所述的較大的虛擬圓錐內(nèi)部的較小的虛擬圓錐的創(chuàng)建，根據(jù)本發(fā)明的該概念方法定義聚焦電極系統(tǒng)的參數(shù)。聚焦電極5和6關(guān)于平面部分7是對(duì)稱的并且是彼此的鏡像，并且聚焦電極5與平面部分12是鄰接的，并且平面部分12與聚焦電極 6是鄰接的。使用概念方法CGMR，是EOS的一些實(shí)施例的重要結(jié)構(gòu)特征的聚焦電極系統(tǒng)的開口部分通過如下的點(diǎn)和從近陰極電極系統(tǒng)的平面部分2到曲線部分3的過渡區(qū)域的邊界限定，其中在上述點(diǎn)，聚焦電極5與平面部分12連續(xù)。這些點(diǎn)位于水平軸線上具有頂點(diǎn)的虛擬圓錐的表面上。在該情形中，從場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)的平面部分2到曲線部分3的過渡區(qū)域的邊界位于如下的虛擬圓錐的表面上，其中所述虛擬圓錐在聚焦電極5、6中的每一個(gè)的中心處的位置具有系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)。類似地，從陽極電極系統(tǒng)的平面部分8 到曲線部分9的過渡區(qū)域的邊界位于如下的虛擬圓錐的表面上，其中所述虛擬圓錐在聚焦電極5、6中的每一個(gè)的中心處的位置具有系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)，首先確定近陰極電極系統(tǒng)的平面部分2和曲線部分3的尺寸，并且然后確定聚焦電極系統(tǒng)的開口和曲線部分5的尺寸，或者反之亦然，或者創(chuàng)建表，該表包括將滿足上述條件平面部分2、曲線部分3、曲線部分5和其中的開口的適當(dāng)?shù)目赡艽笮『托螤?。?dāng)設(shè)計(jì)平面部分8和曲線部分9時(shí)考慮它們的尺寸，以創(chuàng)建上述的虛擬圓錐。施加到陰極電極系統(tǒng)、聚焦電極系統(tǒng)、第一陽極電極系統(tǒng)、和第二陽極電極系統(tǒng)的最佳電壓范圍不受限制，并且可以使用其它電壓范圍。例如，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，其它電壓范圍可以從大約OkV到30kV或者從30kV到950kV。系統(tǒng)還可以包括曲線部分5和6以及平面部分7的外表面旁邊的柵格電極。然而，僅低壓應(yīng)用要求柵格電極，并且圖1中所示的實(shí)施例不包括它們。
可以利用CPO仿真軟件在沒有空間電荷效應(yīng)的情況下計(jì)算圖5A，并且在空間電荷效應(yīng)的情況下計(jì)算圖5B。從圖可以看出，當(dāng)所有的條件保持相同，并且僅啟用空間電荷計(jì)算時(shí)，結(jié)果是交叉點(diǎn)的移位并且與自偏置效應(yīng)一致，這已經(jīng)在論文“機(jī)ectron Beam Spot Size Stabilization for Radiographic Application”中通過在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。這些結(jié)果也利用高級(jí)仿真程序CPO所證實(shí)。CPO 程序具有在EOS中的寬范圍的系統(tǒng)分析機(jī)會(huì)，例如等電勢(shì)輪廓、電輪廓、和電矢量、空間電荷輪廓、和空間電荷色場(chǎng)?？梢钥闯?，本發(fā)明允許具有不同聚焦半徑的多種裝置的構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明，CGMR概念方法的本質(zhì)為在EOS中的第一部分的設(shè)計(jì)創(chuàng)建了多個(gè)機(jī)會(huì)。該概念方法是基于六個(gè)虛擬圓錐的創(chuàng)建和黃金平均比率的使用。三個(gè)虛擬圓錐具有位于曲線部分9與水平面相交的點(diǎn)處的公共頂點(diǎn)。在概念上使用這三個(gè)虛擬圓錐，以用于近陰極電極系統(tǒng)和面向陰極電極系統(tǒng)的凸聚焦電極的創(chuàng)建。其它三個(gè)圓錐系統(tǒng)具有在原點(diǎn)的曲線部分3與水平軸線相交的點(diǎn)處的公共頂點(diǎn)。在概念上使用這三個(gè)虛擬圓錐，以用于陽極電極系統(tǒng)和面向陽極電極系統(tǒng)的凸聚焦電極的創(chuàng)建。如在圖1中所示的曲線部分3的半徑R3的值用來創(chuàng)建第一虛擬圓錐，并且曲線部分5的半徑R5的值用來創(chuàng)建位于第一虛擬圓錐內(nèi)部的第二更小的虛擬圓錐。半徑R5與半徑R3的比率的范圍從大約0. 61到大約 0. 622 (再一次地，該范圍不是限制性的)。黃金平均比率大約為0. 6181，并且因此位于該范圍的中心。為了保持對(duì)稱性，使用曲線部分6的半徑R6與曲線部分9的半徑R9的基本上相同的比率。而且，沿著縱向軸線與平面部分7相交并且延續(xù)到曲線部分3與柱形部分4鄰接的點(diǎn)的由第一虛擬圓錐限定的線繪制限定第一虛擬圓錐，并且利用黃金平均比率也獲得該
點(diǎn)ο第三虛擬圓錐由曲線部分3與平面部分2鄰接的點(diǎn)和曲線部分5與平面部分12 鄰接的點(diǎn)限定。具有位于原點(diǎn)的公共頂點(diǎn)的其它三個(gè)虛擬圓錐系統(tǒng)對(duì)稱地定義陽極電極系統(tǒng)參數(shù)。本發(fā)明在所有傳統(tǒng)的EOS系統(tǒng)中都具有應(yīng)用，因?yàn)閷?duì)于根據(jù)本發(fā)明的EOS中的所有裝置，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量方面的很好的新結(jié)果。包括根據(jù)本發(fā)明的EOS的任何裝置改善了裝置的獲得的視覺特性，例如，顯示裝置中的圖片的改善的清晰度以及光強(qiáng)度的明顯增加(例如，對(duì)于50倍的壓縮為2500倍)。從而增加了電真空裝置的服務(wù)壽命，同時(shí)可以減小時(shí)間分辨率和裝置尺寸。例如，傳統(tǒng)的電子束光刻系統(tǒng)產(chǎn)生了大約0.25nA的電流。相比之下， 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了大約0. 7mA的最小電流。并且能夠在數(shù)分鐘內(nèi)執(zhí)行傳統(tǒng)系統(tǒng)花費(fèi)大約20個(gè)小時(shí)為1平方厘米所執(zhí)行的相同的光刻。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了特定的相對(duì)布置和尺寸方案，例如，陰極電極系統(tǒng)和聚焦電極系統(tǒng)的幾何大小，從而使得生成了靜電聚焦區(qū)域。與虛擬圓錐相關(guān)的條件的滿足消除和避免了關(guān)于電流密度的均勻分布的問題，并且還實(shí)現(xiàn)了重要的光學(xué)減小，達(dá)到約50 倍，并且保持了每一個(gè)像素中的高清晰度和均勻能力。新的均勻聚焦系統(tǒng)因此應(yīng)該在諸如前述的電子束光刻系統(tǒng)的昂貴的EOS系統(tǒng)中是高度成功的。存在度量領(lǐng)域中的多個(gè)機(jī)會(huì)將本發(fā)明用作用于測(cè)試任何CRT系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。例如， 具有如在圖7A中所示的均勻分布的本發(fā)明可以用來校準(zhǔn)具有如在圖7B中所示的高斯分布的傳統(tǒng)CRT系統(tǒng)。聚焦點(diǎn)的調(diào)整創(chuàng)造了度量領(lǐng)域中新的機(jī)會(huì)，因?yàn)橥ㄟ^比較方法，電子束能夠用作用于校準(zhǔn)任何電子束裝置的標(biāo)準(zhǔn)?？烧{(diào)屏幕提供了用于不同應(yīng)用的機(jī)會(huì)，其中所述不同應(yīng)用利用單個(gè)電子槍并且要求不同聚焦點(diǎn)大小，因?yàn)樗试S使用槍的不同部分，其中每一個(gè)部分都具有不同的縮小倍率數(shù)。例如，如果在電子束光刻領(lǐng)域中要求50倍的縮小倍率，則可調(diào)屏幕需要被移動(dòng)靠近交叉點(diǎn)。可調(diào)屏幕也被用于準(zhǔn)確地定義在不同的光子系統(tǒng)中用于像素大小的優(yōu)化要求的縮小倍率數(shù)，這導(dǎo)致具有零相位噪聲的理想圖像。上述系統(tǒng)具有由本發(fā)明人設(shè)計(jì)的并且被權(quán)利要求涵蓋的若干變型。這些變型包括聚焦系統(tǒng)的實(shí)施例，其中只有單個(gè)曲線部分5，其向陰極1突出，從而曲線部分5的凸側(cè)面向陰極1，而凹側(cè)面向陽極電極系統(tǒng)。在另一個(gè)變型中，陽極電極系統(tǒng)只包括平面部分8，即， 不提供曲線部分9和柱形部分10。而且，上述任何系統(tǒng)可以包括在聚焦的電子束的方向上布置的兩個(gè)或更多額外陽極，例如，與第二陽極分隔開并且具有均勻厚度或可變厚度的第三陽極。作為結(jié)論，已經(jīng)證實(shí)，在本領(lǐng)域中，通過上述結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了電流密度的均勻分布，而且在單個(gè)電真空系統(tǒng)中還存在多個(gè)裝置機(jī)會(huì)。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是， 在不脫離本發(fā)明的更寬廣方面的情況下，可以進(jìn)行改變和修改，并且因此，所附權(quán)利要求中的目的是覆蓋落在本發(fā)明的真實(shí)精神和保護(hù)范圍內(nèi)的所有改變和修改。實(shí)際上，設(shè)想的是， 結(jié)合一個(gè)實(shí)施例描述或說明的任何特征可以被應(yīng)用到在這里描述的任何其它實(shí)施例中，只要與該實(shí)施例的特定特征一致。
權(quán)利要求
1.一種在靜電區(qū)域中聚焦電子束的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括殼體組件，其被布置為限定第一內(nèi)部和開口，電子束通過所述開口射出所述第一內(nèi)部；場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)，其被布置在所述第一內(nèi)部中，所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)包括陰極組件和近陰極電極系統(tǒng)，所述近陰極電極系統(tǒng)包括平面部分、與所述平面部分鄰接的曲線部分、和與所述曲線部分鄰接的基本上柱形部分，所述近陰極電極系統(tǒng)在前表面處與所述陰極組件經(jīng)由腔體分隔開、并且具有與所述陰極組件相同的電勢(shì)；聚焦電極系統(tǒng)，其被布置在所述第一內(nèi)部中并且與所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)分隔開， 所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)和所述聚焦電極系統(tǒng)組成用于形成電子束的源；和陽極電極系統(tǒng)，其布置在所述第一內(nèi)部中、在所述聚焦電極系統(tǒng)的與所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)相對(duì)側(cè)上，所述陽極電極系統(tǒng)被布置為使得所述電子束從其通過，所述陽極電極系統(tǒng)包括至少一個(gè)陽極，所述聚焦電極系統(tǒng)包括在所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)和所述陽極電極系統(tǒng)之間的至少一個(gè)開口，所述電子束穿過所述至少一個(gè)開口，所述聚焦電極系統(tǒng)包括至少兩個(gè)聚焦電極， 每一個(gè)所述聚焦電極都包括曲線部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)、所述聚焦電極系統(tǒng)和所述陽極電極系統(tǒng)都被布置為操作以在系統(tǒng)的靜電區(qū)域中將電子束變換為具有電流密度的均勻分布的層流，并且能實(shí)現(xiàn)高達(dá)50倍或更高的聚焦點(diǎn)大小的均勻縮小倍率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述殼體組件進(jìn)一步限定與所述第一內(nèi)部電絕緣的第二內(nèi)部，所述開口從所述第一內(nèi)部導(dǎo)向所述第二內(nèi)部中，所述第二內(nèi)部是無電場(chǎng)空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括可調(diào)屏幕系統(tǒng)，其被布置在所述電子束的路徑中的所述第二內(nèi)部空間中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陽極電極系統(tǒng)和所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)都被布置為使得從所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)的所述平面部分到所述曲線部分的過渡區(qū)域的邊界位于第一虛擬圓錐的表面上，所述第一虛擬圓錐在所述陽極電極系統(tǒng)的中心位置處具有所述系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)，所述陽極電極系統(tǒng)包括平面部分、與所述平面部分鄰接的曲線部分、和與所述曲線部分鄰接的基本上柱形部分，所述陽極電極系統(tǒng)和所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)被布置為使得從所述陽極電極系統(tǒng)的所述平面部分到所述曲線部分的過渡區(qū)域的邊界位于第二虛擬圓錐的表面上，所述第二虛擬圓錐在所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)的中心位置處具有所述系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中具有面向所述陰極電極系統(tǒng)的凸側(cè)的所述聚焦電極的半徑與所述陰極電極系統(tǒng)的所述曲線部分的比率為從大約0. 61到大約0. 622，并且為了保持所述對(duì)稱性，使用具有面向所述陽極電極系統(tǒng)的凸側(cè)的所述聚焦電極的半徑與所述陽極電極系統(tǒng)的所述曲線部分的相同比率，并且所述聚焦電極系統(tǒng)的所述平面部分延續(xù)到水平軸線，其中在所述線上限定了虛擬點(diǎn)，以利用黃金平均比率比例值構(gòu)造所述第一虛擬圓錐。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陰極電極系統(tǒng)的所述平面部分位于與所述陰極的所述平面基本上相同的平面，并且然后，在離開所述陰極的中心的方向上，導(dǎo)向所述曲
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述聚焦電極中的每一個(gè)都具有平面部分，所述平面部分靠近所述陰極的中心或縱向軸線，在離開所述軸線的方向上，所述平面部分改變?yōu)橛伤銮€部分提供的曲面，所述聚焦電極中的每一個(gè)都包括開口，所述開口覆蓋所述系統(tǒng)的縱向軸線并且具有與系統(tǒng)的縱向軸線對(duì)齊的中心，進(jìn)一步包括沿著所述至少一個(gè)聚焦電極的所述平面部分和所述曲線部分的外表面中的至少一個(gè)外表面布置的柵格電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連接平面部分，所述連接平面部分將所述至少一個(gè)聚焦電極的所述曲線部分電連接到所述殼體，所述聚焦電極關(guān)于所述連接平面部分對(duì)稱。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陽極電極系統(tǒng)包括平面部分、與所述平面部分鄰接的曲線部分、和與所述曲線部分鄰接的基本上的柱形部分，所述陽極電極系統(tǒng)與所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)基本上對(duì)稱。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陽極電極系統(tǒng)包括環(huán)形電極并且允許電子流朝向所述開口從其通過，或者包括多個(gè)陽極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)聚焦電極由第一和第二聚焦電極組成，所述第一和第二聚焦電極分別被定向?yàn)槌蛩鲫帢O和朝向所述陽極彎曲，所述第一和第二聚焦電極連接到公共連接平面部分，所述公共連接平面部分將所述聚焦電極的所述曲線部分電連接到所述殼體。
13.一種在靜電區(qū)域中聚焦電子束的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括本體，其限定內(nèi)部；場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)，其被布置在所述內(nèi)部中；聚焦電極系統(tǒng)，其被布置在所述內(nèi)部中并且與所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)分隔開，所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)和所述聚焦電極系統(tǒng)組成用于形成電子束的源；和陽極電極系統(tǒng)，所述陽極電極系統(tǒng)被布置在所述內(nèi)部中、在所述聚焦電極系統(tǒng)的與所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)相對(duì)側(cè)上，所述陽極電極系統(tǒng)被布置為使得所述電子束從其通過， 所述陽極電極系統(tǒng)包括至少一個(gè)陽極，所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)包括陰極和電極，所述電極包括平面部分、與所述平面部分鄰接的曲線部分、和與所述曲線部分鄰接的基本上柱形部分，所述電極在前表面處與所述陰極經(jīng)由腔體分隔開，并且所述電極與所述陰極電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括屏幕系統(tǒng)，所述屏幕系統(tǒng)被布置在所述內(nèi)部的外面在電子束的路徑中，所述屏幕系統(tǒng)是可調(diào)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述陽極電極系統(tǒng)和所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)都被布置為使得從所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)的所述平面部分到所述曲線部分的過渡區(qū)域的邊界位于第一虛擬圓錐的表面上，所述第一虛擬圓錐在所述陽極電極系統(tǒng)的中心位置處具有所述系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)，所述陽極電極系統(tǒng)包括平面部分、與所述平面部分鄰接的曲線部分、和與所述曲線部分鄰接的基本上柱形部分，所述陽極電極系統(tǒng)和所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)都被布置為使得從所述陽極電極系統(tǒng)的所述平面部分到所述曲線部分的過渡區(qū)域的邊界位于第二虛擬圓錐的表面上，所述第二虛擬圓錐在所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)的中心位置處具有所述系統(tǒng)上的縱向軸線上的頂點(diǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述陰極電極系統(tǒng)的所述平面部分位于與所述陰極的所述平面基本上相同的平面，并且然后，在離開所述陰極的中心的方向上，導(dǎo)向所述曲線部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)聚焦電極中的每一個(gè)都具有平面部分，所述平面部分靠近所述陰極的中心或縱向軸線，在離開所述軸線的方向上，所述平面部分改變?yōu)橛伤銮€部分提供的曲面，進(jìn)一步包括沿著所述至少一個(gè)聚焦電極的所述平面部分和所述曲線部分的外表面中的至少一個(gè)外表面布置的柵格電極，進(jìn)一步包括連接平面部分，所述連接平面部分將所述至少一個(gè)聚焦電極的所述曲線部分電連接到所述本體。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述陽極電極系統(tǒng)包括平面部分、與所述平面部分鄰接的曲線部分、和與所述曲線部分鄰接的基本上柱形部分，所述陽極電極系統(tǒng)與所述場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)基本上對(duì)稱。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述陽極電極系統(tǒng)包括環(huán)形電極并且允許電子流從其通過進(jìn)入所述本體的所述第二內(nèi)部，并且所述至少一個(gè)聚焦電極包括具有相同幾何形式的兩個(gè)聚焦電極。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)聚焦電極由第一和第二聚焦電極組成，所述第一和第二聚焦電極分別被定向?yàn)槌蛩鰣?chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)和朝向所述陽極電極系統(tǒng)彎曲，所述第一和第二聚焦電極連接到公共連接平面部分，所述公共連接平面部分將所述聚焦電極的所述曲線部分電連接到所述本體。
全文摘要
一種系統(tǒng)，在靜電區(qū)域中將電子束聚焦為電子層流，該電子層流具有電流密度的均勻分布和顯著縮小倍率，該系統(tǒng)包括本體(11)，其限定電場(chǎng)的邊界；靜電部分中的場(chǎng)形成陰極電極系統(tǒng)(1，2，3，4)、聚焦電極系統(tǒng)(5，6，7，12)和至少一個(gè)陽極電極系統(tǒng)(8，9，10)；和第二無電場(chǎng)部分，其包括布置在本體(11)內(nèi)部的可調(diào)屏幕系統(tǒng)(16)。場(chǎng)形成近陰極電極系統(tǒng)(1，2，3，4)包括電連接到平面部分(2)的陰極(1)和電連接到柱形部分(4)的曲線部分(3)。陽極電極系統(tǒng)(8，9，10)包括開口部分、電連接到平面部分(8)的陽極、和電連接到柱形部分(10)的曲線部分(9)，其與陰極電極系統(tǒng)相似或相同，并且與陰極電極系統(tǒng)對(duì)稱。根據(jù)CGMR概念方法計(jì)算和創(chuàng)建系統(tǒng)參數(shù)。
文檔編號(hào)H01J29/58GK102414774SQ201080018886
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者伊萊·萊維, 阿爾圖什·A·阿布加良 申請(qǐng)人:Atti國(guó)際服務(wù)公司