Возможности и ограничения ЭЛО

Если исходить только из теоретических ограничений, связанных с дифракционными явлениями, в ЭЛУ можно получить очень малые размеры пятна. С учетом длины волны движущихся электронов минимальный диаметр пятна вычисляется по формуле

, (3.119)

где - угловая апертура последней линзы;

- анодное напряжение.

При и , на практике минимальный размер пятна определяется различными видами аберраций и может быть оценен как

, (3.120)

где - коэффициент аберрации (суммарный);

- ток луча;

- максимальная яркость источника электронов,

- заряд электрона,

- постоянная Больцмана,

- температура катода, определяющая максимальную плотность тока эмиссии - .

Размер электронного пятна уменьшается с уменьшением тока луча, но это влечет за собой снижение производительности.

Точность обработки в ЭЛУ зависит не только от диаметра пятна, но и от точности его позиционирования. Позиционирование электронного пятна в ЭЛУ определяется следующими факторами:

- точностью отклонения луча (линейностью развертки);

- точностью преобразования числовой информации в аналоговый сигнал отклонения;

- стабильностью источника ускоряющего напряжения;

- воздействием электрических и магнитных полей;

- температурой окружающей среды;

- наличием и уровнем механических вибраций.

Точность преобразования аналогового сигнала можно оценить по выражению

, (3.120)

где - максимальное отклонение электронного пятна;

- заданная погрешность обработки;

- погрешность, вносимая другими источниками (координатным столом, электромагнитными помехами, нелинейностью функции ток-отклонение и др.)

В электронной промышленности используются установки с , , если допустить, что , то , то есть не ниже 0,0025 %.

Для малых углов отклонения электронов относительная погрешность, связанная с нестабильностью ускоряющего напряжения может быть оценена по формуле

, (3.121)

При поле отклонения луча мм, погрешность в 0,1 мкм составляет 0,007 %. Следовательно, в этом случае стабильность ускоряющего напряжения должна быть выше 0,014 %.

Оценим влияние паразитных электрических и магнитных полей, источником которых являются различные электромеханические устройства, размещаемые как вне колонны, так и внутри нее

Рисунок 3.42 - Зона действия паразитных наводок.

Если зона действия паразитных наводок (которые будем считать постоянными) равна , то величины отклонений электронного пучка, определяемые действием магнитного и электронного полей, соответственно равны:

, (3.122)

. (3.123)

Отклонение будет наибольшим, если паразитные поля действуют на всем участке от ограничительной диафрагмы до подложки. В этом случае, чтобы отклонения не превышали заданного значения , напряженность поля помех должна удовлетворять условиям:

, (3.124)

. (3.125)

Если подставить в эти выражения реальное значение ,

, , то получим следующие максимальные допустимые уровни электромагнитных помех:; .

Это очень малые уровни помех. Для сравнения напряженность магнитного поля земли . Поэтому требуются специальные меры по электромагнитной экранировке луча.

Итак, большие угловые отклонения луча вызывают значительные аберрации, а увеличение фокусного расстояния последней линзы при малых отклонениях делает конструкцию громоздкой, ухудшает разрешение, повышает чувствительность к внешним электромагнитным полям. Обычно прецезионное электронное пятно смещается в пределах квадрата мм, реже - мм. Размеры обрабатываемых деталей достигают мм и более. Малое перемещение луча по сравнению с размерами обрабатываемой детали вызывает необходимость применения координатных столов. Применение координатного стола после обработки небольшого участка (одного модуля) позволяет перейти к следующему и т.д. до обработки всей детали. Точность перемещения координатного стола должна быть достаточно высокой, выше требований и точности обработки, так как и координатные столы добавляют погрешности, вносимые приводами системы и погрешности базирования заготовки. Точность перемещения современных прецезионных столов достигает 0,1 мкм, при скорости вывода на позицию до 20 мм/с. Точность позиционирования современных сварочных автоматов составляет 10 мкм, при производительности 0,2-0,3 с на одну перемычку. Создание высококрецезионного стола, да еще работающего в вакууме, представляет собой серьезную конструкторскую задачу.