Brevet FR2823907A1 — publié le 20021025

propagation d'onde, telle qu'une hélice. PROCEDE ET DISPOSITIF DE FOCALISATION D'UN FAISCEAU D' ELECTRONS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de focalisation d'un faisceau d'électrons ainsi qu'un dispositif pour la mise en _uvre de ce procédé. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il est connu de focaliser les électrons issus d'une pointe (en anglais "tipi') de tungstène, grâce à un champ magnétique orienté suivant laxe de cette pointe. A ce suj et, on se reportera au document suivant: [1] B.D. Terris et al., "Magnetic microlens with an atomically sharp field emitter',, J. Vac. Sci. Technol. B 11(6), 1993, pp.2315-2318. Les électrons, qui ont une composante de vitesse initiale perpendiculaire à l'axe, sont soumis à la force de Lorentz et ont, de ce fait, des trajectoires hélicoïdales. Au bout d'une période de rotation, tous les électrons se retrouvent en un même point de l'axe de la pointe, qui constitue un point, ou n_ud, de focalisation. Un dispositif émetteur d'électrons est connu par le document suivant: [2] Demande internationale publiée le 14 Octobre 1999 sous le numéro WO 99/52124, intitulée "Canon à électrons de type torche à électrons ''. Ce dispositif comprend une cathade à micropointes (en anglais ''microtip cathode") pour émettre un faisceau d'électrons. Un champ magnétique peut être prévu pour le guidage du faisccau d'électrons. Une source d'électrons à effet de champ est également connue par le document suivant: [3] Demande de brevet français N 9913499 du 28 Octobre 1999, intitulée "Procédé de commande de structure comportant une source d'électrons à effet de champ". Cette source comprend une cathode à micropointes et une grille d' extraction des électrons. Une grille supplémentaire peut-être prévue pour focaliser les électrons, en portant cette grille supplémentaire à un potentiel approprié. Il convient de noter qu'aucun champ magnétique n'est utilisé dans cette source d'électrons. Revenons au document [2]. Le dispositif décrit dans ce document utilise des moyens de polarisation (en anglais "biasing means 'é) de la cathade à micropointes par rapport à une cible destinée à recevoir les électrons émis, pour crser un champ électrique qui accélère ces électrons vers la cible. L'énergie des électrons, à leur arrivée sur la cible, est fixée à une valeur optimale en fonction de l 'application envisagée pour le dispositif. La valeur du champ électrique est donc également fixée. Le champ magnétique de guidage, crcé par une paire d'aimants permanents, a une valeur également fixée. Cette valeur serait d'ailleurs difficilement modulable, en utilisant des bobines, du fait de contraintes d'encombrement. La valeur du champ électrique et celle du champ magnétique fixent le positionnement du point, ou n_ud, de focalisation du faisceau d'électrons (ce point résultant de l 'action combince des champs électrique et magnétique-voir plus haut), de sorte que le dispositif ne peut focaliser des électrons qu'à une énergie prédéfinie. En d'autres termes, le dispositif connu par le document [2] ne permet pas de modifier la position du point de focalisation sans modifier le champ électrique et/ou le champ magnétique. EXPOSÉ DE L' INVENTION La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précédent. Elle a pour objet un procédé de focalisation d'un faisceau d'électrons fourni par une source d'électrons, procédé dans lequel ce faisceau d'électrons se déplace suivant un axe de propagation et l'on crée un champ électrique d'accélération des électrons selon cet axe de propagation, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on crée en outre un champ magnétique de guidage des électrons selon cet axe de propagation, ce champ magnétique coopérant avec le champ électrique pour crcer au moins un point de focalisation du faisceau d'électrons sur l'axe de propagation, on crée au moins une portion de plan équipotentiel perpendiculairement à l'axe de propagation et l'on choisit le potentiel appliqué à cette portion pour placer le point de focalisation à une position souhaitée. On peut asservir le potentiel appliqué à la portion de plan équipotentiel de manière à régler automatiquement la focalisation du faisceau délectrons. Selon un mode de mise en _uvre particulier du procédé objet de l' invention, on crée au moins deux portions de plan équipotentiel perpendiculairement à l'axe de propagation et l'on applique à ces deux portions des potentiels différents, choisis pour dévier le faisceau d'électrons selon un nouvel axe de propagation faisant un angle donné avec l'axe de propagation initial, tout en focalisant ce faisceau d'électrons en un point souhaité du nouvel axe de propagation. On peut asservir les potentiels appliqués aux portions de plan équipotentiel de manière à régler automat iquement la focal i sati on et la déviation du faisccau d'électrons. La présente invention concerne aussi dispositif de focalisation d'un faisceau d'électrons, ce dispositif comprenant: une source d'électrons prévue pour fournir le faisceau d'électrons, ce faisceau d'électrons se déplaçant suivant un axe de propagation, - des moyens de création d'un champ électrique d'accélération des électrons selon cet axe de propagation, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - des moyens de création d'un champ magnétique de guidage des électrons selon cet axe de propagation, ce champ magnétique coopérant avec le champ électrique pour créor au moins un point de focalisation du faisceau d'électrons sur l'axe de propagation, - des moyens de création d'au moins une portion de plan équipotentiel perpendiculairement à l'axe de propagation, et - des moyens d'application, à cette portion, d'un potentiel choisi pour placer le point de focalisation à une position souhaitée. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de création de la portion de plan équipotentiel peuvent comprendre un support métallique. Ce support métallique peut étre un diaphragme métallique ou une grille métallique. Le dispositif objet de l' invention peut comprendre: - des moyens de création d'au moins deux portions de plan équipotentiel perpendiculairement à l'axe de propagation, et - des moyens d'application, à ces portions, de potentiels différents, choisis pour dévier le faisceau d'électrons de l'axe de propagation suivant un angle donné tout en focalisant ce faisceau d'électrons en un point souhaité. La source d'électrons peut étre une source à micropointes ou une source à nanoLubes. Le dispositif objet de l 'invention peut comprendre en outre une grille d' extraction des électrons de cette source d'électrons. La source d'électrons peut également être une source à filament chauffant. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: À la figure 1 illustre schématiquement des focalisations successives d'un faisccau d'électrons soumis à des champs électrique et magnétique parallèles, - la figure 2 illustre schématiquement les résultats d'une simulation d'un exemple de l' invention, - la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier de l'invention, la figure 4 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier de l 'invention, la figure 5 est une vue de face schématique d'un diaphragme utilisé dans l'exemple de la figure 4, figure 6 est une vue de face schématique d'un autre diaphrame utilisable dans l 'invention, et les figures 7 et 8 sont des vues schématiques d'autres modes de réalisation particuliers de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Afin de bien comprendre l 'invention, considérons d'abord une source ponctuelle d'électrons qui a la référence 2 sur la figure 1. Cette source constitue une cathade dont le potentiel est pris pour référence, cette cathode étant ainsi à 0 V. Une anade 4 est placée en regard de la cathode 2. Cette anode est portée, par des moyens non représentés, à un potentiel positif V. On crée ainsi un champ électrique E entre l' anode et la cathode. Ce champ électrique accélère les électrons émis par la cathode en direction de l'anade. On note Z l'axe moyen suivant lequel se déplacent les électrons. Des moyens non représentés, par exemple des aimants permanents, sont prévus pour créer un champ magnétique B entre l' anode et la cathade, ce champ étant dirigé de la cathode vers lanode dans l'ensemble représenté. Le champ électrique E et le champ magnétique B sont tous deux parallèles à l'axe Z. Ce champ magnétique B permet la focal i sati on du fai sceau d'électrons 5 émis par la source 2 et accéléré par le champ électrique E vers l' anode 4. On obtient ainsi sur l'axe Z. une succession de points de focalisation, ou n_uds de focalisation, et l'on voit sur la figure 1, trois de ces n_uds de focalisation, dont les références sont P1, P2 et P3. Les autres n_uds se trouveraient au-delà de l' anode si cette dernière n'arrêtait pas le faisceau déélectrons. La figure 2 illustre schématiquement une simulation de l' invention qui est réalisce grâce à un logiciel de simulation appelé Simion 7. On voit sur cette figure 2 une source d'électrons 6 formée par une micropointe de type Spindt associce à une grille d' extraction dont les trous ont un diamètre de lm. Les électrons issus de cette source ont une énergie de 100eV et se répartissent dans un c8ne dont le demi-angle au sommet vaut 30 . L'axe de ce cône (axe de la micropointe) est encore noté Z sur la figure 2. La source 6 est placée dans une enccinte sous vide qui n'est pas représentée. Dans cette enceinte se trouve aussi une cible 8 en regard de la source 6. Deux aimants permanents 10 et 12 sont prévus pour créor un champ magnétique uniforme de 0,1T suivant l'axe Z. entre la source 6 et la cible O. Cette cible est portée à un potentiel de 10kV par rapport à la source d'électrons 6 et se trouve à une distance de mm de cette source 6. Conformément à l'invention, on prévoit, entre la source et la cible, un plan équipotentiel 14 formé par une électrode (par exemple une grille) de focalisation. Ce plan, dont le potentiel est noté Vf, est situé à 2mm de la source 6. En outre, ce plan 14 est perpendiculaire à l'axe Z. Dans les conditions considérées, un premier point P de focalisation du faisceau d'électrons 15 issu de la source 6 est obtenu sur l'axe Z. entre le plan équipotentiel 14 et la cible. On est capable de faire varier la position de ce premier point de focalisation P en faisant varier le potentiel Vf du plan équipotentiel 14. La distance de ce point P au plan équipotentiel est une fonction croissante du potentiel Vf. Dans ces conditions, le premier point de focalisation P se trouve sur la cible pour Vf=1079kV et l'on trouve que la taille du spot électronique sur la cible est égale à 24 m. On peut également déterminer le potentiel Vf qui permet d'aguster le premier point de focalisation sur la cible en fonction de l'énergie des électrons au niveau de cette cible. En choissant par exemple une distance entre la source et la cible égale à 1 cm, un plan équipotentiel à mi-chemin entre la source et la cible et un champ magnétique égal à O,lT, on obtient des potentiels Vf de 5,47 kV, 4, 54 kV, 3,84 kV, 3,43 kV et 3,19 kV pour des énergies respectivement égales à 1 keV, 2,5 keV, 5 keV, 7,5 keV et 10 keV. Un premier mode de réalisation particulier de l' invention est schématiquement représenté sur figure Dans cet exemple, on utilise une source d'électrons 16 de type à une micropointe de Spindt. Cette source d'électrons constitue ainsi une cathade à une micropointe 18. Cette source est placée dans une enceinte étanche 20. Des moyens de pompage non représentés sont prévus pour faire le vide dans l'enceinte, en établissant dans cette dernière une pression appropriée qui peut être de l'ordre de 10-7 à lO8hPa. Un piège ou "getter" 22, disposé dans un queusot 24 dont est pourvue l'enceinte, permet d' absorber des impuretés résiduelles, contenues dans cette encointe, afin de maintenir la pression souhaitée lorsque les moyens de pompage ont été déconnectés. Le queusot est placé à une extrémité de l'enceinte, derrière la source 16. L'autre extrémité de l'enceinte est fermée par une membrane 26 qui est de préférence en un matériau léger (par exemple Si3N4, Si, SiC ou diamant) de façon à avoir une bonne transmission vis-à-vis du faisceau d'électrons 28 émis par la source 16. Ce faisceau se propage suivant l'axe Z de la micropointe 18 vers une cible 30 qui se trouve à l'extérieur de l'enceinte 20, à la suite de la membrane 26. A titre d'exemple, une distance entre la source et la membrane de 1 cm permet aux électrons émis par la source d'atteindre des énergies allant jusqu'à lOkeV. Au-delà, il pourrait se produire un arc électrique dans l'enceinte. La micropointe 18 de la source délectrons est associée à une grille 32 d' extraction des électrons émis par cette micropointe. Des moyens de polarisation 34 sont prévus pour appliquer une différence de potentiel Ve positive entre cette grille 32 et la micropointe, pour arracher les-électrons à cette micropointe. De plus, des moyens de polarisation 36 sont prévus pour appliquer entre la grille d' extraction 32 et la membrane une différence de potentiel V positive permettant de diriger les électrons vers cette membrane, par laquelle ils sortent de l'enceinte. Si la membrane 26 n'est pas électriquement conductrice, elle est rendue telle par exemple par métallisation. Pour des raisons de sécurité électrique, l'enccinte et la membrane sont mises à la masse. De plus, on crée un champ magnétique de l'ordre de O,lT parallèlement à l'axe Z (axe de la micropointe), par exemple au moyen d'une paire d'aimants permanents 38 et 40 qui sont disposés à cet effet en regard l'un de l'autre, à l'extérieur de l'enceinte qui est alors faite d'un matériau amagnétique. Dans l'exemple de la figure 1, pour ajuster la position du premier point de focalisation du faisceau d'électrons émis par la source, on utilise simplement un diaphragme métallique 42, c'est à dire une électrode comportant une ouverture circulaire, dont laxe est l'axe Z. Cette électrode 42 est perpendiculaire à l'axe Z et comprise entre la grille 32 et la membrane 26 et elle est portée, par des moyens de polarisation appropriés 44, à un potentiel de focalisation Vf positif par rapport à la grille d' extraction 32. A titre d'exemple, l'ouverture circulaire a un diamètre de 2 mm pour ne perdre aucun électron à la traversoe de cette ouverture. Une position médiane (cest-à-dire à michemin entre la source et la cible) de cette électrode portée au potentiel Vf permet d'accéder à des énergies électroniques allant d' environ 1 keV à lOkeV avec des champs électriques qui restent de l'ordre de 1 kV/mm. Dans une variante de réalisation, on utilise une grille électriquement conductrice à la place du diaphragme métallique. Plus généralement, ces moyens doivent pouvoir créer, au moins à proximité du faisceau d'électrons, des équipotentielles assimilables à des portions de plan. Ils ne sont pas nécessairement constitués par des plans matériels perpendiculaires à laxe de propagation. Dans 1'exemple de la figure I, on cho1siL le potenLiel Vf pour gue le premier poinL de focalisaLion se Lrouve sur la cible 30. Un deuxime mode de rdalisaL10n arLiculier de l'invenLion esL sebmaLiquemenL reprdsenL sur la figure 4. Ce mode de ralisaLion diff6re de celui de la figure 3 par le faiL que le diabragme m vide qui rgne dans l'encainLe. On obLienL ainsi, en quelque sorLe, deux demi-diahagme (arLies 48 et 50) qui sonL resecLivement ports un potenLiel Vf et un otentiel Vf + Vd. Pour ce faire, des moyens de polarisaLion 54 sont connects enLre les parLies 48 et 50 eL prvus pour porLer la parLie 50 un potentiel Vd ngatif ar rapport la partie 48 Landis gue ceLLe artie 48 esL porL@e au poLenLiel Vf par rapporL la grille 32. On voit sur la figure 5 que chacune des parties 48 et 50 comporte une demi-ouverture, ce qui permet de reconstituer l'ouverture 56 du diaphragme lorsque les parties 48 et 50 sont assemblées. En outre, on voit sur les figures 4 et 5 que les parties 48 et 50 se trouvent respectivement en dessous et au dessus de l'axe Z. Les deux demidiaphragmes permettent de dévier le faisceau électronique émis par la source dans une direction Y perpendiculaire à Z comme le montre schématiquement la figure 4. On choisit le potentiel Vd pour obtenir l'angle de déviation souhaité. La variation du potentiel peut être algébrique. Dans une autre variante, on utilise un diaphragme métallique 58 en quatre parties 60, 62, 64 et 68 électriquement isolées les unes des autres par une matière électriquement isolante 68 comme le montre schématiquement la figure 6 en vue de face. Les quatre parties 60, 62, 64 et 66 du diaphragme de la figure 6 sont portées à des potentiels par exemple égaux à Vf, Vf, Vf+Vdx et Vf+Vdy. En général,Vd,Vdx et Vdy sont de l'ordre de quelques dizaines de volts. On est alors capable de dévier le faisceau d'électrons dans deux directions orthogonales X et Y qui sont perpendiculaires à l'axe Z. Un troisième mode de réalisation particulier de l' invention est schématiquement représenté sur la figure 7. Il diffère de l'exemple de la figure 3 par le fait que, dans le cas de la figure 7, la cible des électrons est placée dans l'enceinte et matérialisse par un plan électriquement conducteur 70 porté à un potentiel V positif grâce à des moyens de polarisation appropriés 72. Ce potentiel V détermine l'énergie de chaque électron incident, qui vaut alors exV, o e représente la valeur absolue de la charge d'un électron. Par rapport aux exemples des figures 3 et 4, la seule différence réside dans la référence des potentiels qui n'est plus l'enceinte mais la grille dé extraction des électrons hors de la micropointe de Spindt. On choisit encore le potentiel Vf, fourni par les moyens de polarisation 44, pour que le faisceau d'électrons 28 soit focalisé sur la cible 70. conviet de noter gue 1'4lectrode de focalisaLion (ar exemple grille ou diahragme) qui eL siLude enLre la source d'4lectrons eL la cible d'un disposiLif conforme 1'invenLion ermeL, par 1'inLermdiaire du poLenLiel gui lui est appliqu6, de d6placer le ou les oinLs de focalisaLion, ind6pend _ enL de l'6nergie qu'onL les lecLons lorsqu'ils aLLeignenL la cible. En effeL, une Lelle {lecLtode permeL de ralenLir ou d'acclrer les lecLons qui vonL de la source vers la cible, ind6pendammenL du mouvemenL circulaire Lranverse qui esL l'origine de la focalisaLio. De lus, on a vu que la cible pouvaiL se siLuer l'inL6rieur ou l'exL4rieur de l'enceinLe mais ceLLe cible pourraiL ALre la membrane elle-mme. On prcise en ouLre que l'on euL inL@grer sur la uce (en anglais "chiD") de la source micropoinLes elle-mame les moyens de d6lacemenL, eL venLuellemenL de dviaLion, des poinLs de focalisaLion. On donne ci-a6s des avanLages de l'invenLion. L'électrode de focalisation (par exemple grille ou diaphragme) permet d'améliorer la durée de vie de la source d'électrons en la protogeant du bombardement de particules ionisses dans l'enceinte. De plus, cette électrode de focalisation, permet d'envisager l'utilisation d'un système d'asservissement de cette focalisation. Par exemple, une mesure du courant qui atteint l'enceinte ou une partie métallisée de la membrane permet d'asservir le potentiel Vf de l'électrode de focalisation et donc de régler automatiquement la focalisation, et éventuellement la déviation, du faisceau d'électrons. Au lieu de mesurer ce courant, on peut par exemple mesurer une intensité lumineuse, lorsque les électrons servent à pomper un milieu optique, ou un rayonnement de freinage produit par la cible. Un exemple d'un tel asservissement est schématiquement illustré par la figure 8. Cette dernière diffère de la figure 4 par le fait que les moyens de polarisation 44 sont remplacés par des moyens de polarisation réglables 74. Ces derniers sont commandés par des moyens de réqulation 76 en fonction du courant électrique que ces moyens 76 reVoivent de la membrane 26 suppose ici partiellement mtall1ue (ou m4Lallise). Les moyes de rgulation 76 sont prvus pour mainLenir consLanLe la Lension fournie par les moyens 74. On pourcaiL aussi adaLer le disposiLif de la figure 3 our meLLre e euvre un Lel asservissemenL. 11 convienL de noLer que 1'uLilisation de sources froides arranges en matrice, et ventuellement adresses une par une, permet de dfinir une gomtrie sur mesure du spot {lectronique sur la ciLle, cette gomtrie tant ventuellement modifiaL1e en temps rel Au lieu d'une source froide comprenant une microoinLe ou plusieurs micropoinLes, oo peut utiliser une source froide comprenant un ou lusieurs nano-tubes ou toute autre source froide d'6lectrons. Au lieu de cela, on peut utiliser une source chaude comprenant un filament qui met des lecLrons lorgu'il esL chauff4. APPLlCATIONS INDOSTR1ES Les applicaLions de la prdsente lnvention sont les mmes gue celles du disositif divulgu ar le document [2] (noLammenL: laser micropointes, excitation lumineuse d'un gaz ou d'un liquide et génération de rayons X). Une autre application est le marquage de faible dimensionnalité (par exemple lithographic par faisceau d'électrons). L'adressage pointe par pointe, d'une ligne de micropointes et le déplacement du dispositif perpendiculairement à cette ligne permettent d'obtenir un système à plusieurs faisceaux et d' augmenter ainsi la vitesse de marquage. REVENDICATIONS 1. Procédé de focalisation d'un faisceau d'électrons (28) fourni par une source d'électrons (16), procédé dans lequel ce faisceau d'électrons se déplace suivant un axe de propagation (Z) et l'on crée un champ électrique d'accélération des électrons selon cet axe de propagation, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on crée en outre un champ magnétique (B) de guidage des électrons selon cet axe de propagation, ce champ magnétique coopérant avec le champ électrique pour créer au moins un point (P) de focalisation du faisceau d'électrons sur l'axe de propagation, on crée au moins une portion de plan équipotentiel (42; 48, 50) perpendiculairement à l'axe de propagation et l'on choisit le potentiel appliqué à cette portion pour placer le point de focalisation à une position souhaitée. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on crée au moins deux portions de plan équipotentiel perpendiculairement à l'axe de propagation (Z) et lon applique à ces deux portions des potentiels différents, choisis pour dévier le faisceau d'électrons (28) selon un nouvel axe de propagation faisant un angle donné par rapport à l'axe de propagation initial, tout en focalisant ce faisceau d'électrons en un point souhaité (P) sur ce nouvel axe. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on asservit le potentiel appliqué à la portion (42) de plan équipotentiel de manière à régler automatiquement la focalisation du faisccau d'électrons (28). 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on asservit les potentiels appliqués aux portions de plan équipotentiel (48, 50) de manière à régl er automatiquement la focal i sation et la déviat ion du faisccau d'électrons (28). 5. Dispositif de focalisation d'un faisceau délectrons, ce dispositif comprenant: une source d'électrons (16) prévue pour fournir le faisceau d'électrons, ce faisceau d'électrons se déplacant suivant un axe de propagation, - des moyens (34) de création d'un champ électrique d'accélération des électrons selon cet axe de propagation, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - des moyens (38, 40) de création d'un champ magnétique de guidage des électrons selon cet axe de propagation, ce champ magnétique coopérant avec le champ électrique pour crcer au moins un point de focalisation du faisceau d'électrons sur l'axe de propagation, - des moyens (42; 48, 50) de création d'au moins une portion de plan équipotentiel perpendiculairement à laxe de la propagation, et - des moyens (44; 44, 54) d'application, à cette portion, d'un potentiel choisi pour placer le point de focalisation à une position souhaitée. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens de création de la portion de plan équipotentiel comprennent un support métallique (42; 48, 50). 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le support métallique est un diaphragme métallique ou une grille métallique. 8. Dispositif selon la revendication 5, comprenant: - des moyens (48, 50) de création d'au moins deux portions de plan équipotentiel perpendiculairement à l'axe de propagation, et - des moyens (44; 44, 54) d'application, à ces portions, de potentiels différents, choisis pour dévier le faisceau d'électrons de l'axe de propagation suivant un angle donné tout en focalisant ce faisceau d'électrons en un point souhaité.. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à B. dans lequel la source d'électrons (16) est une source à micropointes ou une source à nanoLubes. 10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre une grille (32) d' extraction des électrons de cette source d'électrons. 11. Dispositif selon 1'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la source d'électrons