Brevet FR2494904A1 — publié le 19820528

La présente invention se rapporte à un dispositif à faisceau d'électrons équipé de deux bobines de déviation qui sont placées entre un condenseur et un objectif. Conçu pour une utilisation sur des microscopes électroniques à balayage et autres, ce dispositif à faisceau d'électrons emploie les bobines de déviation afin de dévier le faisceau et de permettre l'exploration ou le balayage de la surface d'un échantillon. Il est nécessaire d'explorer l'échantillon à une grande variété de vitesses, comprises entre une vitesse lente de balayage ou exploration et une vitesse de balayage ou exploration de télévision. Pour répondre à une telle condition, on a construit le dispositif à faisceau d'électrons illustré sur la figure 1. Sur la figure 1, un faisceau d'électrons 2 émis par un canon d'électrons 1 est condensé sur une plaque à ouverture 4 par un condenseur 3. Le faisceau dte3ectrons qui passe par une ouverture 5 de la plaque 4 est dévié par une bobine torokdale supérieure 6 à un angle el et est redéviée par une bobine toroidale inférieure 7 à un angle e2, puis il passe par le centre d'un objectif 8. Ainsi, le faisceau d'électrons 2 est dévié sur un angle total de = 62 par rapport à un axe optique 9 avant d'atteindre un échantillon 10. Un circuit générateur d'impulsions de balayage de télévision 11 produit un signal de sortie qui est appliqué par un circuit de contrôle de grossissement 12, aux bornes (a) de commutateurs 13,14, qii sont connectés par les amplificateurs 15,16, respectivement, aux bobines toroldales supérieure et inférieure 6,7. Un générateur de dents de scie17 produit des signaux de balayage ayant des vitesses différentes de balayage comprises entre une vitesse lente de balayage et la vitesse appelée super- rapide ( qui est légèrement plus lente qu'une vitesse de balayage de télévision), le signal à la sortie du générateur de dents de scie 17 étant appliqué par un circuit de contrôle de grossissement 18 aux bornes (b) des commutateurs 13, 14. Un détecteur d'électrons secondaire 19 produit un signal de détection qui est appliqué à un tube à rayons cathodiques (non représenté), qui est exploré ou balayé en synchronisme avec le balayage de l' échantillon par le faisceau d'électrons. Quand il devient nécessaire de changer la vitesse de balayage du faisceau d'électrons 2, d'une vitesse lente à une vitesse super-rapide dans un dispositif traditionnel à faisceau d' électrons, les commutateurs 13,14 sont connectés aux bornes (b) pour permettre au signal à la sortie du générateur de dents de scie 17 d'être appliqué aux bobines toroldales supérieure et inférieure de dévia- tion 6,7 et le générateur de dents de scie 17 est ajusté pour produire des signaux de balayage aux fréquences souhaitées. Par ailleurs, pour effecttuer le balayage à une vitesse de télévision, les commutateurs 13, 14smntrelms aux bornes (a) pour permettre aux impulsions en créneau à la sortie du générateur d'impulsions 11 d'être appliquées aux bobines de déviation 6,7 ( les impulsions en créneau sont déformées par les bobines de déviation 6, 7, o s'écoule en réalité un courant en deni de scie). Une telle commutation entre les sources de signaux de balayage est nécessaire pour les raisons qui suivent: - en général, la bobine de déviation supérieure doit être de petite dimension car il est nécessaire qu'elle soit placée adjacente à la plaque à ouverture. Par conséquent, la bobine de déviation supérieure est choisie sous forme d'une bobine toroidale. Cependant dans le dispositif traditionnel, la bobine de déviation inférieure est égale- ment choisie sous forme d'une bobine toroldale. Tandis que les bobines toroldales sont de petite dimension, elles ont une forte auto-inductance ( ci-après appelée " induc- tance") par unité d'angle de déviation. Par conséquent, les bobines toroldales supérieure et inférieure de déviation 6,7 ont une inductance combinée relativement importante. Du fait de l'inductanceimportante, quand un courant qui s'approche d'une fréquence de balayage de télévision est appliqué du générateur de dents de scie afin de répondre à la nécessité d'une observation avec un bdayage très rapide, la forme d'onde en dents de scie du courant se trouve déformée tandis qu'elle passe par les bobines de déviation, avec pour résultat une mauvaise opération de balayage. Par conséquent, une commutation est nécessaire pour permettre au générateur d'impulsions Il d'appliquer du, courant en créneau, qui sera déformé en une forme d'onde en dents de scie pour le balayage de télévision. Cependant, il est difficile de maintenir les points zéro du générateur d'impulsions 11 etdu générateur de dents de scie 17 en ligne l'un avec l'autre en tout moment. Par conséquent, l'image de l'échantillon se décale, empêchant en réalité l'observation de la même région de l'image de l'échantillon quand on change la vitesse de balayage entre la vitesse de balayage de télévision et autre vitesse de balayage. Par ailleurs, l'utilisation de deux sources de signaux de balayage donne, au dispositif, une structure complexe et le rendcouteux à fabriquer. La présente invention a pour but principal un dispositif à faisceau d'électrons ne présentant pas un décalage ou glissement de l'image de l'échantillon quand on change de vitesse de balayage entre une vitesse de balayage de télévision et autres vitesses. La présente invention a pour autre objet un dispositif à faisceau d'électrons de structure simple et pouvant être fabriqué à faible prix. Selon l'invention, le dispositif à faisceau d'électrons est agencé de façon que la bobine de déviation supérieure se compose d'une bobine toroldale et que la bobine de déviation inférieure se compose d'une bobine en forme de selle, les deux bobines étant alimentées par un seul générateur de signaux de balayage, les signaux de balayage ayant des fréquences différentes et allant des vitesses lentes de balayage aux vitesses de balayage de télévision. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 montre un dispositif' àfaisceaid!aLectrors selon l'art antérieur; - la figure 2 montre un mode de réalisation selon l'invention; - la figure 3 montre une bobine de déviation en forme de selle; et - la figure 4 montre une vue en perspective d'une bobine de déviation en forme de selle. La figure 2 montre un mode de réalisation selon l'invention. Le dispositif selon l'invention qui est repré- senté sur la figure 2 est différent du dispositif selon l'art antérieur illustré sur la figure 1, parce que la bobine de déviation inférieure se compose d'une bobine de déviation 20 en forme de selle à la place d'une bobine de déviation toroldale, et la bobine de déviation supérieure 6 et la bobine de déviation inférieure 20 sont alimentées par des signaux de balayage d'un générateur de signaux en dents de scie 21 par l'intermédiaire du circuit de contrôle de grossissement 22. Le générateur 21 produit des signaux en dents de scie ayant des fréquences différentes corres- pondant à une grande variété de vitesses de balayage allant de la vitesse lente de balayage aux vitesses de balayage de télévision. La figure 3 montre la bobine de déviation 20 en détail. Sur la figure, le repère23 désigne un noyau en ferrite. A l'intérieur du noyau, quatre paires d'éléments de bobine en forme de selle (24a, 24b), (25a,25b) (26a, 26b), (27a,27b) sont placées en couches. Les éléments de bobine parpaires sont placés face à face dans la même couche. Les eéments 24a, 24b de la première couche sont prévus pour dévier un faisceau d'électrons en direction X. L'un des éléments de bobine est représenté en perspective sur la figure 4. L'élément de bobine représenté sur la figure 3 est regardé dans la direction de A sur la figure 4. La partie en trait plein sur la figure 3 correspond aux enroulements de la bobine ( indiqués par M et N sur la figure 4), qui dirigentle courant pour qu'il s'écoule dans une direction perpendiculaire à la surface du dessin. Comme on le sait bien, la partie des éléments de bobine 24a, 24b comprenant les enroulements qui dirigent le courant pour qu'il s'écoule dans la même direction que celle indiquée ci-dessus, représente 1200, comme on peut le voir sur la figure 3, réduisant ainsi h déformation dans un champ magnétique produit par les éléments 24a, 24b. Les éléments de bobine en forme de selle 25a, 25b de la seconde couche pour la déviation dans la direction de Y sont angulairement espacés de 90 des éléments 24a, 24b et en proche contact avec eux. Si le rapport dela distance entre les éléments 24a, 24b et le noyau 23 à la distance entre les éléments a, 25b et le noyau 23 est pris égal à 1, alors le couplage entre le noyau 23 et les éléments 24a, 24b et le couplage entre le noyau 23 et les éléments 25a, 25b peuvent etre considérés comme étant équivalents. Pour cette raison, les éléments 24a, 24b sont espacés du noyau 23 de la plus grande distance permise par les limites d'espace ( par exemple 1mm). Comme ce rapport ne peut être égal à 1 même si la distance entre le noyau 23 et les éléments 24a, 24b est importante, l'angle de déviation en direction X se trouvelégèrement plus important que l'angle de déviation en direction Y, quand le même courant s'écoule à travers les éléments de bobine dans les première et seconde couches ayant le même nombre d'enroulements Pour éviter ce problème, le nombre d'enroulements des éléments 25a, 25b dépasse celui des enroulements des éléments 24a, 24b de deux, par exemple pour équilibrer les angles de déviation en direction X et Y quand les mêmes courants de déviation s'écoulent à travers les éléments ( Par conséquent, l'angle des dééments des bobines 25a, 25b est légèrement supérieur à 1200). Les éléments de bobine 2494904- en forme de selle 26a, 26b de la troisième couche sont radialement disposés vers les éléments de bobine en forme de selle 25a, 25b, afin de permettre un léger décalage du faisceau dtélectrons dans la direction X, taldis que les élcments de bobine en forme de selle 27a, 27b de la quatrième couche sont radialement disposés éers ls éléments de bobine 26a, 26b pour décaler 1égèrement i e faisceau d'! électrons dans la direction Y. Les éléments de bobine ( 26a, 26b) et (27a, 27b) sont utilisés quand il derient i0 nécessaire de décaler avec précision la zone abservée. En supposanlt que le plan principal de l'objectif 8 et le centre du champ de déviation produit par la bobine de déviation en forme de selle 20 sont espacés d'mue distance F l'un de l'autre, et que le centre du charmp de déviation produit par la bobine de déviation -'oroLdale 6 est espacé d'une distance G du centre du charip de déviation produit par la bobine de déviation 20 en forme de selle, l'objectif 3,la bobine de déviation torocdale 6 et la bobine de déviation en forme de selle 20 sont places les uns par rapport aux autres de façon que la relation G/F ? 3 soit établi En général, l'angle de dé-iation e et l'ampère- tour Ni de la bobine de déviation ont pour relation: Q.mNi. en supposant que la bobine de déviation supérieure a un angle de déviation 1 et que la bobine de déviation inférieure a un angle de déviation de b2, il existe la relation Q = ( G/F + 1) e1l Des relations G/F > 3 et 02 = (G/F+i)G 1' on peut dériver la relation e1/92 >1/4. Par conséquent, quand le même courent de déviation s'écoule à travers les bobines de déviation supérieure et inférieu- re, le nombre des enroulement N1, N2 des bobines de déviation supérieure et inférieure présente la relation N1/N2 v 1/4. Comme on a LaiN2, o L est l'inductance de la bobine, L1/L2 1/16 si les bobines de déviation supérieure et inférieure sont des bobines toroldales. Par conséquent, si l'on a la relation G/F > 3, l'inductance combinée des bobines de déviation supérieure et infériere - 2494904 peut ête considérée comme étant déterminée uniquement par l'inductance de la bobine de déviation inférieure.Ains., on peut obtenir une réduction de l'inductance combinée en réduisant l'inductance de la bobine de déviation inférieure. Une comparaison entre des bobines de déviation toroldale en en forme de selle dont les noyaux oit sensiblement les mêmes rayons, indique que l'inductance de la bobine de déviation en forme de selle qu'il faut pour dévier un faisceau d'électrons d'un angle unitaire est égal à environ 1/4de l'inductance de la bobine de déviation toro5dale. Comme la bobine de déviation toroldale permet une fuite accrue de flux, qui passe par un bobinage de la lentille objectif l'inductance de la bobine de déviation en forme de selle est de 1/5 à 1/6 celle de la bobine de déviation toroldale telle qu'elle est réellement montée sur2e dispositif. En considérant le dispositif à faisceau d'tectrons selon l'invention, la bobine de déviation inférieure, qui comprend une bobine en forme de selle, rend l'inductance combinée des bobines de déviation supérieure et inférieure extrêmement faible. Les bobines de déviation 6, 20 sont alimentées en courant en dents de scie provenant du seul générateur de dents de scie 21 pour l'opération de balayage à une grande variété de vitesses, comprises entre une vites- se lente et une vitesse de balayage de télévision. Aucun décalage de l'image ne se produit quand on change la vitesse de balayage entre la vitesse de balayage de télévi- sion et les autres vitesses de balayage, ce qui permet à un échantillon d'être observé dans sa même région à tout moment. Comme il n'y a qu'une seule source de signaux de balayage, le dispositif a une construction simple et il peut être fabriqué à faible prix. Quand on considère le dispositif selon l'inven- tion, le nombre d'enroulements des éléments de la bobine de déviation en forme de selle que l'on utilise pour dévier un faisceau d'électrons dans la direction X, diffère du nombre des enroulements des éléments de la bo- bine de déviation en forme de selle que l'on utilise pour dévier le faisceau d'électrons dans la direction Y afin de compenser la différence entre les degrés de couplage entre les éléments de la bobine-et le noyau. Ainsi, le degré du faisceau d'électrons en direction X et Y, quand les éléments de la bobine sont alimentés du même courant, est équilibré pour un choix facile et un contrôle de l'angle de déviation lors de la rotation d'une image en se basant sur la rotation du balayage. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif à faisceau d'électronscaractérisé en ce qu'il comprend un canon d'électrons (1) pour émettre un faisceau d'électrons (2),un condenseur (3) pour condenoer ledit faisceau, un objectif (8) pour focaliser ledit fais- ceau sur l'échantillon, des bobines de déviation supérieure (6) et inférieure (20) interposées entre ledit condenseur et ledit objectif, ladite bobine supérieure comprenant une boline toroldale, ladite bobine inférieure comprenant une bobine en forme de selle, lesdites bobines de déviation étant excitées par un courant de déviation provenant d'une seule source de courant (21) qui produit des signaux de balayage dont les fréquences sont comprises entre des vitesses lentes de balayage et les vitesses de balayage de télévision, un moyen de détection pour détecter les signaux de données dudit échantillon éclairé par ledit faisceau d'électrons, et un moyen pour afficher une image dudit échantillon en utilisant lesdits signaux détectés par ledit moyen de détection. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que F est la distance entre le plan principal de l'objectif précité et le centre du champ de déviation produit par la bobine de déviation en forme de selle précitée, répondant à la relation G/F,>3,.o G est la distance entre le centre du champ de déviation produit par la bobine de déviation toroldale précitée et du champ de déviation produit par ladite bobine de dévia- tion en forme de selle. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la bobine de déviation en forme de selle précitée comprend un noyau (23), et des éléments en couches (24a, 24b; 25a, 25b; 26a, 26b; 27a, 27b) qui sont disposé vers l'intérieur. dans ledit noyau. 4. Dispositif selon la revendication 3 e caractérisé en ce que les éléments de bobine en couche et en forme de selle précités sont disposés à la plus ge distence pSebb du noyau précité, tant que les limites d'espace le permettent. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments de bobine en couche et en forme de seize précités comprennent des premier et second éléments pour dévier un faisceau d'électrons respectivement dans les directions X st Y et des troisième et quatrième éléments pour décaler légèrerteni't le faisceau d'électrons dans les directions X et Y, respectivement. 6. Dispositif selon la re/endication 3, caractérisé en ce que les Semernts de bobine en couche et en forme de sele précités comprennent les premier et second éléments de bobine pour dévier un faisceau d'élec- trons dans les directions X et Y respectivement; le nombre d'enroulements de la seconde couche étant un peu supérieur à celui de la première couche.