Brevet FR2466096A1 — publié le 19810327

-1- "l Appareil à faisceau d'électrons L'invention concerne un appareil à faisceau d'électrons avec une source d'électrons comportant d'une part un fil métallique qui est déplaçable suivant la direction longitudinale et qui doit être chauffé localement par un fais- ceau d'énergie, et d'autre part, un diaphragme qui est placé près du fil, porte un potentiel positif par rapport à celui du fil et sert à limiter la section transversale du faisceau d'électrons. Un tel appareil à faisceau d'électrons est connu du brevet américain NO 3.745.342 a A l'intérieur d'un appareil décrit dans ledit brevet américain, on utilise en guise de cathode de cet appareil un fil métallique qui est chauffé par un faisceau d'électrons ou par un faisceau de laser. Pour don- ner à la source une durée de vie suffisamment longue, ledit fil métallique est déplacé suivant la direction longitudinale en cours du fonctionnement de l'appareil. Lorsqu'il s'agit d'un fil à faible section trans- versale circulaire, un courant d'électrons qui sort d'un tel fil métallique formant une ligne très étroite est sujet à une dispersion relativement grande dans la direction de sortie. Etant donné qu'une lentille qui, ensuite, doit encore traiter le faisceau d'électrons est affectée d'aberration sphérique relativement prononcée par rapport à l'épaisseur de ligne, la réalisation d'un spot d'impact dont la dimension est faible dans au moins une seule direction, exige l'emploi d'un diaphra- gme qui limite la section transversale du faisceau. En consé- quence de ladite dispersion relativement prononcée, un tel dia- phragme ne laissera déjà passer rapidement qu'une trop faible partie du courant de faisceau,ce qui évidemment est défavorable sous plusieurs points de vue. Dans l'appareil connu à faisceau d'électrons, afin de donner à la source une durée de vie rai- sonnablement admi-ib"let il est nécessaire d'imposer des res- trictions à la qualité du spot d'impact que l'on désire réali- ser, ce qui,dans ce cas, veut dire, des restrictions à la den- sité de courant maximale ainsi qu'à la dimension minimale du- dit spot. Or l'invention a pour but de procurer un appareil A faisceau électrique dans lequel les restrictions en question sont diminuées notablement en importance, de sorte que tout en conservant une durée de vie admissible de la sour- ce, il est possible de réaliser un spot d'impact dont la qualité est meilleure. A cet effet, l'appareil à faisceau d'électrons du genre mentionné dans le préambule estremer- quable en ce que l'appareil est complété par des moyens pour réduire la dispersion directionnelle dans un faisceau d'électrons à émettre par le fil métallique. Pour réduire dans le faisceau d'électrons la dis- persion en question, il est possible d'établir dans le voi- sinage du fil métallique un champ focaltmtinaise.Aceteffet par l'application d'un champ électrique, le f.lpet être moetéen deux plaques qui, en principe, sont parallèlesetentreJlespel- les règne une différence de potentiel élevée, lepotmtiedela première plaque par exemple étant fortement négatif par rap- port à celui du fil, et le potentiel de la deuxième plaque, munie d'une ouverture de passage, étant fortement positif par rapport à celui du fil. Toutefois, on a constaté ques dans ce cas, les différences de potentiel acquièrent des valeurs non pratiques qui gênent le fonctionnement conve- nable. Par l'emploi d'un champ magnétique quadripolaire ré- gulateur, il est possible de contrecarrer ledit inconvénient mais cette solution exige le positionnement extrêmement pré- cis du fil dans le champ magnétique, ce qui détériore la stabilité de fonctionnement de la sources Dans les deux so- lutions citées ci-dessus, l'effet de lentille intense, qui est indispensable près de la cathode, constitue également un facteur défavorable. Suivant un mode de réaLi31on prfrentiel d'un appareil à faisceau d'électrons conforme à l'invention, la section transversale du fil est te] le que déjà, lors de l'émission la dispersion directiconneale dans e fbisceau d'électns à émettre est moinsgrande.Danscecas, on a été amnené à constater qu'un fil métalique en formede bande, disponible dans le commerce, n'occupe pas une position stable lors d la chauffe locale intense, ce qui a comme conséquence que la position et la forme de la surface émissive peuvent varier de façon non contr8lée par rapport au diaphragme limitant la section tnsrsale du fmdsceau. De pls, l'intensi de champ qui, près 2466 96 de la surface, est nécessaire pour " aspirer" les électrons émis devient relativement petite, on sait également que pour une surface donnée dans un espace de champ, l'intensité de champ dépend fortement du ray"n de courbure de la surface. On a trouvé pour le fil métallique une conception intéressante si, en prenant comme base un fil métallique à section transversale circulaire, l'on aplatit la surface périphérique du fil à. l'en- droit o aura lieu l'émission des électrons. On y parvient,par exemple, par le laminage d'un fil à section transversale circu- lairte En choisissant adéquatement le taux d'aplatissement; il est possible de trouver un compromis intéressant entre l'in- tensité de champ à la surface et la dispersion directionnelle rédisuelle. A cet égard, une; forme en ellipse pour laquelle le rapport entre le grand axe et le petit axe est compris entre environ 1,5 et 2,5 s'est avérée convenable pour une configura- tion de source telle que celle décrite dans ledit brevet améri- cain N 3745.342. La description suivante, en regard du dessin an- nexé, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 illustre un mode de réalisation préfé- rentiel d'un appareil de traitement par faisceau d'électrons; La figure 2 illustre la réalisation d'une source d'électrons à utiliser dans l'appareil selon la figure 1. La figure 3 illustre par des coupes transversales quelques possibilités de réalisation de fils cathodiques desti- nés à une telle source d'électrons. L'appareil exerçant sa fonction par faisceau d'électrons et répondant à la figure 1 comporte une source d'électrons 1 avec une cathode en fil 2, une douille anodique 3, une deuxième anode 4, et une lentille-condenseur5. L'appa- reil comporte également un premier diaphragme 6 qui, pour mieux expliquer la situation, est dessiné également en vue en plan, et un deuxième diaphragme 7 dont la figure 1 montre également la vue en plan.Sous l'influence d'un système opto- électrique 8 à effet de lentille, l'image du premier diaphra- gme peut être reproduite sur le deuxième diaphragme. De plus, ladite image peut être déplacée, à l'aide du dispositif de déviation de faisceau 9 dans le plan du deuxième diaphragme pour faire coïncider ae la sorte le centre du faisceau et le centre de l'ouverture de diaphragme. A l'aide d'une lentille collimateur 12, l'image de la partie 10 appartenant au fais- ceau d'électrons 11 et que laisse passer le deuxième diaphra- gme peut être reproduite de façon très réduite sur une surface 13 d'un objet à travailler 14. Pour travailler la surface 13, un système de déviation de faisceau 15 est déplaçable par-des- sus ladite surface suivant une configuration quelconque. Le premier diaphragme 6 a par exemple la forme d'un rectangle dont les deux c8tés 16 limitent la dimension de faisceau. L'image de ce diaphragme 6 est reproduite sur le deuxième diaphragme 7, dans ce cas rectangulaire également. Les côtés 17 de ce deuxième diaphragme 7 également limitent la dimension de faisceau de sorte qu'après-être influencé par les deux dia- phragmes, le faisceau est limité à une ouverture de passage réglable 19 qui est formée par les c8tés 17 du diaphragme 7 et par une image 18 du diaphragme 6. Or, la fonction de la'sou. ce d'électrons est de réaliser dans le faisceau en question une intensité de courant élevée; La cathode 2 est formée ici par un fil métallique dont au moins une face périphérique est aplatie et qui, sur la figure 1, doit être considéré comme étant perpendiculaire au plan du dessin. A travers une ouverture 20, ce fil métallique 2sest irradié latéralement par un faisceau d'électrons 21, engen dré par une source 22 et orienté à l'aide d'une bobine 23. De cette façon, le fil est chauffé localement et porté ainsi.à- une température de, par exemple, 3400- C dans le cas d'un fil en tungstène à l'égard duquel on respecte habituellement une température d'émission égale à environ 2800 C. La figure 2 est une vue en perspective schémati- que de la source d'électrons préférentielle 1 répondant à la figure 1. Soumis à l'influence d'une force de traction agis- sant suivant la direction longitudinale et maintenant rectili- gne le fil, en toutes circonstances. Ce fil métallique 2 passe entre une bobine 25 avec un guide 26, et une bobine 27 avec un guide 28.Autour du fil métallique se trouvent deux blocs d'appui 29 et 30 dont chacun comporte une gorge en V, 31, 32 et qui assurent le guidage longitudinal correct du fil métal- lique 2. Des faces de butée dans les blocs d'appui 29 et 30, adaptées de préférence au profil du fil, empochaent la rotation du fil entre les blocs, de sorte que la partie aplatie du fil reste toujours orientée de façon correcte Vers une ouverture de passage 24 de la douille anodique 3. De preference le con- tact thermique entre les blocs d'appui et le fil métallique est bon, lesdits blocs d'appui étant réalises en un métal à bonne conductibilité thermique, par exemple l'argent. Entre les blocs d'appui, le fil est entouré de l'anode 3 qui affec- te lafoeme d'un cylindre creux dont le diamètre interne est compris par exemple entre 0,5 mm et 2 mma et dont 1-épaisseur deparli35est comprise entre par exemple 0,2 mm et 0,5 mm, ledit cylindre creux formant corps avec les blocs d'appuis. Il est possible d'adapter la dimension de l'ouverture 24 aux dimen- sions de la source électronique dans la direction longitudi- nale, ladite ouverture 24 mesurant par exemple 50 microns x 500 microns. Au cours du fonctionnement de l'appareil, en pré- sence d'un potentiel zéro du fil métallique 2, le potentiel de l'anode 3 est compris par exemple entre + 300 Volts et + 700 Volts. Bien que l'invention ait été décrite en référen- ce à un appareil à faisceau d'électrons pour microcircuits, et soit également très intéressante pour cette application, le domaine d'application de l'invention est beaucoup plus étendu et englobe par exemple aussi les appareils à faisceau d'élec- trons pour l'usinage des matériaux, par exemple pour le forage d'ouvertures ou de configurationsexactement définies. Au besoin, à l'intérieur d'un tel appareil, la longueur et la largeur du spot peuvent être adaptées à une première dimension d'une structure à enregistrer, ce qui si- gnifie un gain de temps appréciable pour le travail. La lon- gueur et la largeur du spot peuvent être déterminées par un dispositif opto électronique tel que celui décrit en référence à la figure 1. Il est dans ce cas possible de former néanmoins à l'aide d'ane ouverture cUlae 24, un spotd'impact caré ou oblong. La figure 3 montre le profil de quelques fils ca- thodiques. La figure 3a montre un profil 40 en forme d'ellipse, le rapport entre le grand axe et le petit axe étant dans ce cas égal à% 1,5. Une surface émissive 41 se trouve centralement sur la partie la plus plane de l'ellip- se, tandis que pour sa chauffe, le fil est soumis a l'influ- ence du rayonnement par exemple dans une face Elliptique aussi, indiquée par 42. Le profil 43 sur la figure 3 b montre une face élliptique 44 servant de surface émistive, la surface située en regard indiquée par 45 étant maintenue circulaire. Quant à la figure 3 c, il s'agit d'un profil 46 dans lequel une partie émissive 47 présente une partie plane. Dans ce cas, la surface 48 située en regard, peut avoir soit la même forme que la surface émissive, soit être élliptique ou circulaire. Chacun de ces trois profils peut s'obtenir par laminage d'un fil qui, à l'origine, a une section transversale circulaire, les différences entre la partie émissive et la partie située en regard pouvant être obtenues par le choix adéquat de la dureté et/ou de la forme des surfaces, des galets de laminage à utiliser. Il est ainsi possible de réaliser une surface émissive concave, bien que, pour bon nombre d'applications, une telle surface, convienne moins à cause des erreurs de fais- ceau relativement prononcées. Sur la figure 3 d, on a illustré une section transversale 49 du fil pour laquelle on est parti d'un ruban rectangulaire. De plus, une surface émissive 50 peut être arrondie dans une certaine mesure, tandis qu'une surface située en regard et indiquée par 51 peut être mainte- nue parfaitement rectiligne et constituer ainsi pour le fil une face d'orientation très-utile. -7- - REVENDICATIONS - 1. Appareil à faisceau d'électrons,avec une source d'électrons (1) comportant d'une part un fil métallique (2) qui est déplagable suivant la direction longitudinale et qui doit être chauffé localement par un faisceau d'énergie (21), et d'autre part un diaphragme (6, 7) qui est placé près du fil, porte un potentiel positif par rapport à celui du fil et sert à limiter la section transversale du fais- ceau d'électrons, caractérisé en ce que cet appareil est complété par des moyens pour réduire la dispersion direc- tionnelle dans un faisceau d'électrons (11) à émettre par le fil métallique (2). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens prévus pour réduire la dispersion direc- tionnelle sont formés par un champ magnétique ou électro- statique qui est très focalisant dans au moins une direc- tion. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil métallique présente un profil qui, dans une direction transversale à la direction longitudinale du fil, réduit la dispersion directionnelle dans le faisceau à émettre. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fil affecte en principe une section transversale elliptique, le rapport entre le grand axe et le petit axe étant compris entre environ 1,5 et 2,5. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que, du côté d'émission, la section transversale du fil est aplatie. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fil de cathode est réalisé en matériau laminable à haut point de fusion et à tension de vapeur relativement basse dans le voisinage du point de fusion.