1.2. Системы формирования сфокусированных электронных потоков

Наиболее распространенными представителями семейства ВППУ, использующих сфокусированные электронные потоки, являются осциллографические трубки, приемные и передающие телевизионные трубки, электронно-лучевые технологические установки, ряд приборов СВЧ.

Электронно-оптическая система осциллографической трубки представлена на рис. 1.3 [3]. В состав ЭОС входит электронный прожектор, включающий подогревный катод 1, модулятор 2, ускоряющий электрод 3, первый 4 и второй 5 аноды, а также системы отклонения 6 и послеускорения 7. Конструкция ЭОС обусловлена требованиями, предъявляемыми к осциллографическим трубкам, важнейшими из которых являются разрешающая способность, скорость записи, чувствительность.

Рис. 1.3

Чем меньше ток луча и выше ускоряющее напряжение, тем больше разрешающая способность и скорость записи, но чувствительность к отклонению уменьшается. Для уменьшения влияния аберраций фокусирующей линзы вблизи выходной стороны ускоряющего электрода 3 устанавливается вырезывающая диафрагма, а для уменьшения искажений при отклонении второй анод 5 имеет выходную диафрагму, ограничивающую радиус пучка. Использование диафрагмы приводит к потере до 80 % тока пучка, поэтому необходимо, чтобы электронная пушка обеспечивала формирование электронного пучка с большим запасом тока.

В осциллографических трубках обычно применяется малоинерционная электростатическая система отклонения, состоящая из двух пар отклоняющих пластин 6. На одну пару подается пилообразное напряжение, под действием которого электронный луч перемещается по экрану с постоянной скоростью вдоль горизонтальной оси слева направо, быстро возвращаясь в исходную точку. На другую пару пластин подается исследуемый сигнал. При исследовании быстропротекающих процессов скорость перемещения луча по экрану может оказаться слишком большой и энергии электронов будет недостаточно для возбуждения заметного свечения люминофора. Увеличение яркости свечения экрана возможно при увеличении ускоряющего напряжения, но ведет к снижению чувствительности. Поэтому конструкция отклоняющей системы должна обеспечивать максимальную чувствительность, что достигается выбором геометрии пластин, создающих эффективное отклоняющее электростатическое поле, не приводящее к существенным искажениям формы пучка.

Увеличение скорости записи трубки без заметного снижения чувствительности к отклонению достигается с помощью системы послеускорения 7. Простейшая система послеускорения состоит из одного кольцевого электрода, расположенного перед экраном с потенциалом, в 1,5…2 раза превышающим потенциал второго анода. Однако образующаяся бипотенциальная линза (второй анод  послеускоряющий электрод) несколько снижает чувствительность. Как правило, область послеускорения разбивают на несколько проме- жутков с постепенно возрастающим потенциалом. Вместо одной линзы образуется ряд сравнительно слабых линз, в меньшей степени влияющих на чувствительность. Более эффективна спиральная система послеускорения. Один конец спирали соединяется со вторым анодом прожектора, второй конец имеет выход вблизи экрана, к которому подводится напряжение, в несколько раз превышающее потенциал второго анода. В этом случае достигается линейное увеличение потенциала вдоль оси ЭОС и фокусирующих полей не возникает, следовательно чувствительность к отклонению не меняется.

ЭОС цветного кинескопа включает три электронных прожектора с дельтавидным или планарным расположением. В первом случае прожектора расположены вокруг оси ЭОС на угловом расстоянии 120^° друг от друга и слегка наклонены к оси кинескопа. С помощью электромагнитной системы сведения и развертки электронные лучи направляют на цветоделительную маску  металлическую пластину, расположенную вблизи люминесцентного экрана и имеющую от 300 до 500 тыс. круглых отверстий. За каждым отверстием в маске на экране кинескопа расположена люминофорная триада  три люминофорные точки красного, синего и зеленого цветов. Проходя через отверстия в маске, луч прожектора попадает на соответствующую люминофорную точку. Телевизионный сигнал поступает на модуляторы прожектора, изменение тока прожектора приводит к изменению яркости свечения точек люминофорной триады и в конечном итоге  к изменению цвета изображения.

Определенные преимущества имеют кинескопы с планарным расположением прожекторов (рис. 1.4). Прожектора лежат в одной плоскости, ось одного из них направлена вдоль оси кинескопа, два других наклонены симметрично относительно оси кинескопа. Каждый электронный прожектор состоит из катода 1, модулятора 2, ускоряющего электрода 3, фокусирующего электрода 4 и анода 5.

Принципиально новым этапом в развитии планарных систем является метод коррекции электронных лучей (метод самосведения) при отклонении катушками с магнитным полем определенной конфигурации 6.

Рис. 1.4

В планарных кинескопах используется щелевая цветоделительная матрица 7. Ее прозрачность на 20…30 % выше, чем в кинескопах с дельтавидным расположением прожекторов. Экран 8 имеет линейчатую структуру, образованную регулярно повторяющимися вертикальными полосками люминофоров трех цветов свечения.

Среди передающих телевизионных трубок в настоящее время наиболее широкое распространение получили трубки для цветного телевидения  глетиконы (рис. 1.5).

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 1.5

Электронный пучок формируется триодным прожектором, состоящим из катода 1, модулятора 2 и первого анода 3. Второй анод 4 создает эквипотенциальную область, в которой с помощью магнитного поля, создаваемого катушкой 5, пучок фокусируется на мишени. Развертка пучка по мишени реализуется системой отклонения 6. Для ортогонализации пучка в области мишени используется сетка 7. Основные требования, предъявляемые к ЭОС передающей трубки,  максимальная разрешающая способность (размер пучка на мишени 20…30 мкм при токе 1 мкА) и отсутствие аберраций.

Более высокую чувствительность по сравнению с глетиконом имеет супервидикон (рис. 1.6). Он состоит из трех секций: переноса изображения I, накопления заряда II и считывания III. ЭОС секции считывания аналогична ЭОС глетикона.

Рис. 1.6

Секция накопления заряда представляет собой специальную полупроводниковую мишень. Секция переноса изображения включает в себя фотокатод 1, фокусирующий 2 и масштабирующий 3 электроды и анод 4. Особенность требований, предъявляемых к ЭОС секции переноса изображения, заключается в том, что в отличие от предыдущих ЭОС поперечные размеры электронного пучка сопоставимы с размерами электродов ЭОС, т. е. секция должна обеспечивать перенос широкого электронного пучка без аберраций.

Кроме рассмотренного традиционного направления использования электронных пучков в настоящее время большое развитие получила электронно-лучевая технология. На рис. 1.7 представлена схема ЭОС установки для электронно-лучевой литографии.

Триодный электронный прожектор, состоящий из катода 1, управляющего электрода 2 и анода 3, ускоряет электроны, эмитированные с острия катода, и в области между управляющим электродом и анодом формирует кроссовер (минимальное поперечное сечение потока), важнейшими характеристиками которого являются диаметр сечения пучка, распределение плотности тока по сечению и угол расхождения пучка. С помощью магнитных фокусирующих линз 4 и 5 создается изображение кроссовера. Для уменьшения аберраций, среди которых определяющую роль играет сферическая, апертура пучка ограничивается установкой вырезывающей диафрагмы 6. Изображение кроссовера создается в центре двойной системы отклонения 7, расположенной между фокусирующими линзами 5 и 8. Третья фокусирующая линза (коллиматор) используется для того, чтобы электронный луч падал на поверхность маски 9 под прямым углом. За маской конфигурация электронного потока соответствует геометрическому рисунку маски. Полученное электронное изображение с помощью проекционных линз 10 и 11 переносится в уменьшенном масштабе на поверхность пластины с резистом 12. Ход лучей для рассмотренного режима работы установки показан на рис. 1.7 сплошными линиями.

В электронно-лучевой литографии, как и в обычной, необходимо многократное проецирование изображения масок на пластину для получения нужной топологии микросхемы. В этом случае очень важным становится вопрос совмещения изображений на пластине. Поэтому при совмещении изображений предусмотрена работа установки в режиме растрового микроскопа. Компоновка ЭОС позволяет просто переходить от одного режима работы к другому с помощью переключения фокусирующей линзы 5. Остальные фокусирующие и проекционные линзы остаются в прежнем состоянии. За счет изменения режима работы линзы 5 электронный пучок фокусируется на поверхность маски и с помощью той же отклоняющей системы 7 производится сканирование его по меткам, находящимся на маске. Ход лучей в этом случае показан на рис. 1.6 штриховыми линиями. С помощью проекционных линз электронный пучок, ограниченный диафрагмой 13, фокусируется на поверхности пластины и аналогичным образом сканируется по меткам пластины. Для сбора вторичных электронов используется детектор 14, обеспечивающий получение изображения меток маски и пластины на экран видеоконтрольного устройства микроскопа. Механически перемещая пластину и смещая электронное изображение с помощью отклоняющей системы 15, можно добиться совмещения меток маски и пластины с высокой точностью (0,1…0,2 мкм).

Рис. 1.7

ЭОС сварочных электронно-лучевых установок (ЭЛУ) имеет ряд особенностей, обусловленных, с одной стороны, более высокой мощностью электронного пучка, а с другой  наличием в канале ЭОС пара и газа. Сильноточные пучки выполняются по типу пушки Пирса. В связи со сложностью изготовления сферических электродов последним часто придается более простая форма: цилиндрическая или плоская. При разработке конструкции пушек и всей ЭОС в целом необходимо обеспечить защиту эмитирующей поверхности катода и всей пушки от ионной бомбардировки, химически активных сред и напыления металлов. Для этого стремятся удалить пушку от мишени на возможно большее расстояние, применяют дифференциальную откачку.

ЭОС типичной сварочной ЭЛУ [4] представлена на рис. 1.8, где обозначены: 1  катод; 2  фокусирующий электрод; 3  анод; 4  система магнитного сопровождения; 5  система дифференциальной откачки; 6  мишень; 7  электронный пучок. При проектировании ЭОС такого типа необходимо учитывать влияние парогазовой среды на характер транспортировки электронного пучка.

Рис. 1.8

Пушки Пирса и системы магнитного сопровождения, позволяющие получать и транспортировать интенсивные электронные пучки, используются также и в системах формирования ряда вакуумных приборов СВЧ (клистрон, лампа бегущей волны, лампа обратной волны) [5].