Brevet FR2191258A1 — publié le 19740201

Cette invention a trait à des circuits permettant le réglage des courants d'électrons dans des dispositifs de décharge d'électrons sans affecter les tensions de polarisation entre la cathode émettrice et l'anode. Les dispositifs à décharge d'électrons sont largement utilisés, et ce dans différentes techniques, en particulier pour les canons à électrons des tubes à rayons cathodiques dans les techniques de télévision, et dans les dispositifs destinés à l'usinage au moyen d'un faisceau d'électrons, par exemple pour fraiser, percer, couper, souder, chauffer, recuire, etc. différentes pièces, comme cela est décrit dans le brevet des E.U.A nO 3 662741. Une autre utilisation du canon à électrons consiste dans son emploi pour l'exposition de matériaux photorésistants, appelés encore photorésists, pour la production de masques dérapants utilisés dans la fabrication de dispositifs semiconducteurs, comme décrit dans le brevet français 70 36829. Un tel canon à électrons adapté pour l'exposition de photorésists et présentant un intérêt particulier est décrit dans le brevet français 1 548 846; il est utilisé conjointement à la réalisation de cette invention. Dans de nombreuses utilisations, il est important que le courant d'électrons des dispositifs de décharge d'électrons reste constant pendant des périodes de temps assez longues, étant donné que toute variation dans le courant d'électrons est nuisible au fonctionnement de l'unité. En effet, des variations d'intensité indésirables sont introduites sur l'objectif quand il s'agit d'une surface d'affichage d'un tube à rayons cathodiques, ou à la surface du matériau-qui doit être travaillé avec un faisceau d'électrons, lorsqu'il s'agit de fraiser, percer, couper, etc. . De plus, le contrôle du courant d'électrons est également important pour assurer une exposition constante et correcte des photorésists au faisceau d'électrons.De façon générale, les conditions nécessaires pour l'obtention d'un courant d'électrons constant sur un objectif donné sont retransmises directement à un contrôle correspondant assurant l'émission d'un courant d'électrons constant de la cathode. On sait que l'émission d'électrons d'une cathode peut varier pour une ou plusieurs raisons, qui peuvent autre, entre autres: (a) l'empoi- sonnement de la cathode par des molécules de gaz étrangères, résiduelles ou prisonnières, (b) contamination métallique ou par une autre impureté de la cathode, résultant du matériau travaillé (voir à ce sujet le brevet des E.U.A nO 3 622 7411, et/ou (c) pulvérisation ou usure de la cathode au cours du fonctionnement.On peut trouver dans les brevets des E.U.A nO 3 558 817, 3 602 642 et 3 619 717, d'autres incenvénients résultant de variation des courants d'électrons ainsi que des solutions à ces problèmes. En gros, l'invention comprend un circuit pour maintenir la décharge d'un courant d'électrons relativement constant allant de la cathode à l'anode d'un dispositif de décharge d'électrons. On génère un signal de contrôle proportionnel au courant de la cathode puis on effectue une comparaison avec une valeur de référence de fonctionnement pour générer un signal d'erreur (ou signal de correction) qui est appliqué à une grille ou électrode de contrôle, interposée dans la trajectoire du faisceau d'électrons entre la cathode et l'anode. Ainsi on engendre une polarisation de correction qui s'oppose à une variation dans l'émission d'électrons venant de la cathode. Comme cela sera décrit plus en détail ultérieurement, on peut réaliser cela au moyen d'une impédance placée dans le circuit de cathode du dispositif de décharge d'électrons. La chute de tension aux bornes de l'impédance représente le signal de contrôle. La tension à l'une des extrémités de l'impédance peut être utilisée comme valeur de référence en vue d'effectuer la corrélation avec la tension à l'autre extrémité de l'impédance qui est ajoutée à une valeur de référence de fonctionnement prédéterminée de façon à engendrer la polarisation nécessaire, entre la cathode et la grille de contrôle, et, partant, le courant d'électrons désiré en provenance de la cathode.La différence entre la valeur totalisée et la valeur de référence est alors utilisée pour générer le signal d'erreur qui doit être appliqué à la grille de contrôle pour régler le courant d'émission d'électrons venant de la cathode. Ainsi, un objet de cette invention est de fournir un système de réglage pour maintenir un courant d'électrons constant dans des dispositifs de décharge d'électrons. Un autre objet de cette invention est de fournir un système de contrôle maintenant un courant d'électrons constant entre la cathode et l'anode des dispositifs à décharge d'électrons, sans qu'il soit nécessaire de modifier la polarisation cathode-anode. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 est un schéma illustrant une réalisation de cette invention. La figure 2 est un schéma illustrant une autre réalisation de cette invention. La figure 3 est un schéma d'un système mettant en application la réalisation de la figure 2. Une réalisation de cette invention est montrée sur la figure 1; elle concerne un canon d'électrons utilisé dans un appareil permettant l'exposition des photorésists selon une configuration préalablement définie. Le système d'exposition de matériaux photorésistants illustré est simplifié dans le but de ne présenter que les éléments essentiels des canons d'électrons bien connus dans la technique, comme par exemple celui décrit dans le brevet frangeais 1 548 846 déjà cité.Les éléments essentiels du canon d'électrons pour générer un faisceau d'électrons 1 comprennent une cathode 2 polarisée par rapport à une anode 3, reliés respectivement à une souce de haute tension négative 4 et à la masse, Une électrode de contrôle ou grille est interposée sur la trajectoire du faisceau d'électrons pour contrôler l'émission d'électrons de la cathode 2. Normalement, la grille 5 et l'anode 3 ont des ouvertures appropriées permettant le passage du faisceau d'électrons projeté vers une cible. Cette cible, par exemple, peut comprendre une couche de matériau photorésistant 6 placé sur un support semiconducteur 7, reposant sur une table 8 qui peut être déplacée dans les directions X, Y et Z pour amener les parties correspondantes du support enduit de photorésist à être exposées au faisceau d'électrons 1.La table 8 est déplacée, dans son plan, selon les directions X et Y par les moteurs correspondants 9 et 10 et dans la direction verticale Z, parallèle au déplacement du faisceau d'électrons, par un moteur 11. Après être passé à travers la grille de contrôle 5 et l'anode d'accélération 3, le faisceau d'électrons passe à travers une ouverture dans une plaque 12, pour donner forme au faisceau, puis à travers une bobine de focalisation 13. Des bobines de déviation magnétiques 14, 15, 16 et 17, devient ce faisceau de la façon appropriée. Les bobines de déviation magnétique 14 et 15 commandent la déviation du faisceau d'électrons 1 dans l'une des directions X (ou Y) tandis que les bobines de déviation magnétique 16 et 17 commandent la déviation du faisceau d'électrons dans l'autre des directions Y (ou Xt. Ainsi, les bobines de déviation 14 et 17 coopèrent pour déplacer le faisceau d'électrons de façon appropriée sur la surface de la couche de matériau photorésistant 6. La tension de contrôle pour obtenir un courant d'électrons constant est obtenue en mesurant la chute de tension sur une impédance 18 connectée entre la source de haute tension 4 et la cathode 2. Dans la réalisation de la figure 1, la tension relevée sur l'extrémité 19 de l'impédance 18, es utilisée comme tension de référence. Elle est appliquée à l'entrée de référence, ou de contrôle, 20 d'un amplificateur opérationnel 21, ayant une résistance 22 dans le circuit de contre-réaction, entre sa sortie et l'entrée de contrôle 23. La tension relevée à l'extrémité 24 de l'impédance 18 est appliquée après une chute de tension appropriée à travers la résistance 25, à l'entrée 23 de l'amplificateur 21. Une tension de référence 26 (à travers la résistance 27t, est ajoutée à la tension appliquée à l'entrée de contrôle 23 de l'amplificateur 21, qui renvoit la différence des tensions à la grille de contrôle 5 du canon d'électrons. il faut noter que la tension de référence 26 sera de la polarité opposée à celle de la tension à la jonction 24 pour réaliser la fonction de différenciation. En résumé, la chute de tension aux bornes de la résistance 18 correspond à un signal de contrôle de tension qui, par comparaison avec une tension de référence d'un niveau prédéterminé, fournit à la grille de contrôle 5 la polarisation nécessaire pour obtenir un courant d'électrons constant. La comparaison du signal de contrôle de tension mesuré et de la tension de référence est faite par l'amplificateur 21 qui génère un signal de sortie de correction représentant la compensation à appliquer à la grille de contrôle 5. Le fonctionnement de l'invention sera évident si l'on étudie le circuit de contrôle de la figure 1 avec l'analyse exposée ci-dessous. Comme il est évident, la chute de tension et le courant dans la résistance 18 peuvent être représentés par la relation: V = 1R18 De même, le courant d'électrons peut être représenté par la relation: I = dans laquelle p est la transconductance de canon d'électrons et e g est la tension de grille de contrôle obtenue de la relation: On arrive à: Si l'on rend très grande l'expression: VGR18 2 comme par exemple lorsque le gain G de l'amplificateur est rendu bien plus grand que l'unité (par exemple un gain de 1000 ou plus), la relation cidessus peut être simplifiée et se réduit à:: Vref R18 Ce résultat montre que le courant d'émission varie, en pratique, avec la tension de référence et la résistance 18. En pratique, la résistance 18 et le niveau de la tension de référence sont choisis de façon à donner une tension de contrôle raisonnable. Une fois que la tension de référence est établie, le courant d'émission est maintenu constant sans qu'il soit nécessaire de faire varier la tension d'accélération sur l'anode 3. La figure 2 représente une autre réalisation de l'invention; les éléments semblables sur les deux figures sont indiqués par des références identiques, Comme dans la réalisation précédente, on a une chute de tension sur la résistance 18 donnant un signal de contrôle proportionnel au courant de cathode. Dans cette réalisation, la tension à la jonction 24 est utilisée comme tension de référenceappliquée à l'entrée de référence 20 de l'amplificateur 21 et, également à l'entrée de référence 30 d'un amplificateur de changement de tension 31 ayant une résistance 32 dans la boucle de contre réaction 33 entre sa sortie 34 et son entrée de contrôle 35. A l'dxtrémité 19 de la résistance 18, la tension est envoyée à travers une résistance 25A à l'entrée de contrôle 23 de l'amplificateur 21, où elle est additionnée avec une tension de référence pré-établie à travers une résistance variable 27A venant d'une source de tension 26A. La différence entre la tension à la borne 23 et la tension de référence à la borne 20 est utilisée pour générer un signal d'erreur à la sortie de l'amplificateur 21 Ce signal apparat sur une borne 36 d'un commutateur 37 dont le bras qui peut se déplacer entre la borne 36 et une borne 38. La borne 36 correspond à la position du mode AUTO du commutateur 37, et permet de brancher la sortie de l'amplificateur 21 à l'entrée 35 de l'amplificateur 31 afin de mettre en marche le circuit de contrôle du système.La borne 38 correspond à la position MANUEL du commutateur 37 qui coupe le système de contrôle lorsqu'on le désire, pour permettre. par exemple, le réglage de la tension de contrôle sur la grille 5, tension nécessaire pour obtenir l'émission de courant d'électrons désirée de la cathode 2. La prédétermination de la polarisation de la grille de contrôle est obtenue au moyen de la résistance variable 40 branchée à la source de tension 26A et à l'entrée 35 de l'amplificateur 31 dont la sortie 34 est branchée à la grille de contrôle 5. Pour mettre le système en marche, le commutateur 37 est placé sur la position MANUEL associée à la borne de contact 38 pour permettre le réglage de la polarisation voulue sur la grille de contrôle 5 en réglant la résistance variable 40 afin d'obtenir l'émission de courant d'électrons désirée de la cathode Z.Après le préréglage de la polarisation de grille, le commutateur 37 est fermé en position AUTO sur le contact 36 puis on règle la résistance variable 27A pour obtenir un relevé de différence zéro à la sortie de l'amplificateur 21, ce qui remet la polarisation de la grille 5 à la polarisation initialement pré-établie au moyen de la résistance variable 40. En cours de fonctionnement, toute variation du courant de cathode sera réflétée par une différence dans la chute de tension sur la résistance 18 avec une différence correspondante appliquée aux entrées 20 et 23 de l'amplificateur 21 qui sera réfléchie à la sortie de celui-ci. Par exemple, une augmentation du courant de cathode fera monter la tension à la borne 24 de la résistance 18, imprimant ainsi une valeur de référence de circuit plus élevée à l'entrée de référence 20 de l'amplificateur 21. La tension relativement abaissée à l'entrée 23 sera traduite comme une augmentation dans la sortie de l'amplificateur 21, sortie qui est appliquée, par le commutateur fermé 37 et la résistance 41, à l'entrée 35 de l'amplificateur 31 pour être traduite à sa sortie comme une augmentation dans la polarisation négative sur la grille de contrôle 5.L'augmentation de la polarisation de grille négative a comme résultat une réduction proportionnelle de l'émission d'électrons de la cathode 2. Inversement, une réduction du courant de cathode aura comme conséquence, de la mens manière, une réduction de la polarisation de grille négative è-la sortie de l'amplificateur 31, pour fournir une augmentation proportionnelle de l'émission d'électrons de la cathode 2. En conséquence, le système de contrôle maintient une émission de courant d'électrons de la cathode 2 relativement constante, sans affecter la polarisation d'accélération de l'anode 3. La réalisation de la figure 3 représente une adaptation de la réalisation précédente qui peut être utilisée avec l'unité à faisceau d'électrons du brevet déjà mentionné nO 1 548 846 utilisé pour l'exposition de matériaux photorésistants utilisés dans la fabrication de dispositifs semiconducteurs sur des circuits.. Comme on l'a indiqué ci-dessus, les réalisation des figures 2 et 3 sont les mêmes si ce n'est que des modifications ont été envisagées en prévision des différentes polarisations correspondant à des fonctionnement différents; ainsi différentes résistances ont elles été ajoutées sur le schéma. De façon générale, les valeurs de toutes les résistances utilisées sont indiquées dans le circuit de la figure 3. Les mêmes références ont été utilisées dans les figures 2 et 3 pour des éléments similaires avec les variations indiquées ci-dessous. Par exemple, la résistance variable 40 de la figure 2 a été adaptée dans cette réalisation sous forme de deux résistances variables 40A et 408 branchées en série: la résistance variable 40A (20K) est utilisée pour un réglage approximatif de la polarisation sur la grille de contrôle 5, le réglage final étant obtenu par la résistance variable 40B (1K). La polarisation de grille réglée par les deux résistances variables 40A et 40B est obtenue à partir d'une source de tension stable de +6,2V provenant de l'amplificateur 31A. La sortie +6,2V de l'amplificateur 31A est également utilisée comme source de tension de référence pour l'entrée de contrôle 23A de l'amplificateur 21A, via la résistance 45 (91ka et la résistance variable 27A (10K). En outre, cet amplificateur 21A est équipé d'un circuit de contre-réaction contenant la résistance 22, les diodes 46 et 47 et le condensateur 48, tous branchés en parallèle entre la sortie de l'amplificateur et son entrée de contrôle 23A. Les diodes 46 et 47, connectées en parallèle et en opposition limitent la portée de contrôle de l'amplificateur 21A poue lequel on obtient une compensation de fréquence au moyen du condensateur 48.Pour fonctionner l'anode d'accélération 3 du canon d'électrons est à la masse et la cathode 2 est branchée, via la résistance de contrôle 18 (12K), à la source de haute tension de 15 kilovolts. Comme dans la réalisation précédente, l'extrémité 24 de la résistance 16 est connectée à l'entrée de contrôle 20A de l'amplificateur 21A. De même, l'extrémité 19 de la résistance 18 est utilisée pour donner une tension de contrôle via la résistance 25A (120K) à l'entrée de contrôle 23A de l'amplificateur 21A; à cette entrée, elle est ajoutée à une tension de référence précisée par le réglage de la résistance variable 27A [10K) reliée à l'entrée +6,2 de l'amplificateur 31A. Comme dans la réalisation de la figure 2, toute variation du courant de cathode se traduit par une modification proportionnelle de la chute de tension à travers la résistance 18, qui, à son tour, se traduit par un changement proportionnel aux entrées 20A et 23A de l'amplificateur 21A qui génère à sa sortie un signal de correction; ce signal fournit, à travers l'amplificateur de changement de tension 31A, la compensation nécessaire dans la polarisation de la grille de contrôle et régle l'émission de la cathode 2 au niveau de courant d'électrons pré-établi. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. Si l'invention a été décrite plus spécialement pour être utilisée dans un canon d'électrons servant: pour l'exposition de matériaux photorésistants, il n'en reste pas moins vrai que l'invention peut être appliquée, de même, aux canons d'électrons utilisés dans les tubes à rayons cathodiques, comme dans les tubes de projection de télévision. De même, l'invention peut être utilisée pour régler une émission d'électrons constante dans des tubes t'électrons classiques lorsque cela est nécessaire. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de régulation du courant cathodique d'un tube à rayons cathodiques, caractérisé par: des moyens de génération d'une tension de contrôle proportionnelle au courant cathodique; des moyens de comparaison de cette tension de contrôle avec une tension de référence afin de générer un signal d'erreur représentant la quantité dont s'est écarté le signal de contrôle par rapport à une valeur prédéterminée; et une grille de contrôle placée entre la cathode et l'anode sur le trajet du faisceau d'électrons et portée à potentiel lié au signal d'erreur de telle sorte que la variation de son potentiel s'oppose aux variations du courant cathodique. 2.- Dispositif de régulation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de génération de la tension de contrôle comprennent une impédance de contrôle dans le circuit de cathode, et en ce que les moyens de comparaison permettent de réaliser l'addition d'une première tension recueillie à une première borne de l'impédance de contrôle avec une tension de référence, et permettent de générer le signal d'erreur en-réponse à la différence entre le signal résultant de l'addition de la première tension et de la tension de référence d'une part et la tension recueillie à la seconde borne de l'impédance d'autre part. 3.- Dispositif de régulation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tension de référence est la tension de polarisation de la grille de contrôle cboisie pour obtenir de la cathode le faisceau d'électrons désiré. 4.- Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode est pourvue d'une ouverture permettant le passage du faisceau d'électrons vers la cible à atteindre.