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Elektronischer Verdampfer
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Verdampfer für die Vakuum-Aufdampftechnik. Es sind elektronische Verdampfer bekannt, bei denen das zu verdampfende Gut von einer wendelförmigen Glüh- kathode umgeben ist und ohne Anwendung eines Tiegels dem Elektronenbeschuss ausgesetzt wird. Derar- tige Anordnungen haben den Vorteil einer sauberen Verdampfung ohne Tiegelreaktionen, aber den Nach- i teil, dass das Gut in Stabform gebracht werden und elektrisch leitend sein muss, wenn es als Anode der
Anordnung dienen soll.
Bei einer ändern Ausführungsart eines elektronischen Verdampfers befindet sich das flüssige oder pul- verförmige Gut in einem Graphittiegel oder in einem metallischen Tiegel, welcher von einer Glühkatho- de umgeben ist. Die Erhitzung und Verdampfung erfolgt hiebei indirekt, indem die Aussenwand des Tie- ) gels durch Elektronenbeschuss aufgeheizt wird. Diese Methode bringt, da der von seiner Aussenseite her beheizte Tiegel selbst die höhere Temperatur als das Verdampfungsgut annimmt, die Gefahr von uner- wünschen chemischen Reaktionen zwischen Gut und Tiegelwand mit sich.
Nach einer andern bekannten Methode kann das im Tiegel befindliche Gut durch direkt über dem
Tiegel angeordnete Elektronenkanonen mit Elektronen beschossen werden, wobei nur eine kleine Teilzone der Oberfläche des Gutes zum Schmelzen und Verdampfen gebracht werden muss. Die Tiegelwände erwär- men sich dabei durch die Wärmeleitung von der Heizzone her nur verhältnismässig wenig und es ist vor- geschlagen worden, mit einer Elektronenkanone in mehreren nebeneinander in der Aufdampfanlage auf- gestellten Tiegeln gleichzeitig zu schmelzen, indem der Elektronenstrahl durch eine entsprechende Ab- lenkeinrichtung in schnellem Wechsel jeweils kurzzeitig auf das Gut in den einzelnen Verdampfungstie- geln gerichtet wird.
Anordnungen mit Elektronenkanonen mit gerichtetem fokussiertem Strahl sind aber wegen der nötigen elektronen-optischen Präzision kostspielig, erfordern beim Betrieb sorgfältige Justie- rung und versperren, auch wenn sie, wie üblich, seitlich von der vertikalen Tiegelachse oberhalb des
Tiegels angeordnet sind, doch einen erheblichen Teil des Raumes, der für die Unterbringung der zu be- dampfenden Werkstücke, wie Linsen, Brillengläser, Spiegelunterlagen, Unterlagen zur Herstellung elek- trischer Schichtwiderstände usw., dienen könnte, Vor allem aber behindern sie die Benutzung grosser ro- tierender Trägerteller für die Werkstücke bzw. die Ausnutzung eines Dampfstrahles mit grossem Öffnungs- winkel.
Die Vorteile des elektronischen Schmelzens und Verdampfens nutzbar zu machen und gleichzeitig die soeben erwähnten Nachteile zu vermeiden, hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt.
Der erfindungsgemässe elektronische Verdampfer für die Verdampfung von Substanzen im Hochva- kuum weist einen die zu schmelzende und zu verdampfende Substanz aufnehmenden Träger auf, welcher in der Achse einer elektronen-emittierenden Ringkathode angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkathode von einer an sich bekannten negativen Hilfselektrode zur Erzeugung eines auf die zu verdampfende Substanz gerichteten Elektronen-Ringstrahles umgeben ist, und dass zwischen Ringkathode und der verdampfenden Substanz eine positive, letztere umgebende Beschleunigungselektrode derart an- geordnet ist, dass die Kathode hinsichtlich der von der verdampfenden Substanz ausgehenden Dampf- strahlen im Schatten der Beschleunigungselektrode liegt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die Fig. 1 zeigt eine Aufdampfanlage mit einem erfindungsgemässen elektronischen Verdampfer. Die Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführung eines solchen Verdampfers im Detail
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. Es bedeutet 1 (Fig. 1) das Gehäuse einer Vakuumaufdampfanlage, in welcher auf einer Trägerplatte 2 die zu bedampfenden Werkstücke befestigt werden. 3 bezeichnet den Evakuierungsanschluss, 4 als Gan- zes den elektronischen Verdampfer. Dieser besteht aus dem Träger 5 für die zu verdampfende Substanz, welcher eine muldenförmige Vertiefung 6 aufweist, in die das zu verdampfende Gut 7 eingebracht wird.
Der Träger 5 ist von der ringförmigen Kathode 8 (Fig. 2) umgeben, welche in'üblicher Art bis zur Emissionstemperatur geheizt werden kann. Die Stromzuführungen sind vakuumdicht und isoliert durch den
Boden 12 der Aufdampfanlage hindurchgeführt. Die Kathode 8 ist weiter über die Spannungszuführung 13 mit einer Spannungsquelle hoher negativer Spannung gegenüber dem Gehäuse der Aufdampfanlage und gegenüber dem Träger 5 verbunden. 14 bezeichnet eine Halterung für die Ringkathode.
Es ist weiter eine an sich bekannte negative Hilfselektrode vorgesehen, welche dazu dient, die Elektronen abzulenken und aufdas zu verdampfende Gut zu richten. Diese Hilfselektrode besteht im Beispielsfalle aus mehreren Teilen. 15 ist ein metallischer Zylinder, welcher eine Ringnut 16 aufweist. Die Nut 16 und die Auskehlung 17 der oberen Endfläche des Zylinders 15 sind von einem ringförmigen Teil 18 überdeckt und die Teile 15 und18 bilden zusammen eine die Ringkathode umgebende ringförmige hohle Elektrode mit einem nach innen gerichteten Längsspalt 19. Diese Elektrode erhält gleiches oder ein in bezug auf die Kathode negatives Potential Aus der Kathode treten beim Betrieb Elektronen aus und werden durch eine positive Beschleunigungselektrode zur Tiegelachse 20 hin abgelenkt.
Sie bilden dabei einen kegelförmigen Elektronen-Ringstrahl, in dessen Spitze das zu verdampfende Gut erhitzt wird. In vorliegendem Ausführungsbeispiel bildet die Seitenwand 9 der kraterförmigen Mulde, welche wie der Träger 5 gegen- über der negativen Kathode positiv ist, selbst die die zu verdampfende Substanz umgebende 13eschleuni- gungselektrode, um welche herum der Elektronen-Ringstrahl soweit abgelenkt wird, dass die Kathode 8 hinsichtlich der von der zu verdampfenden Substanz ausgehenden Dampfstrahlen im Schatten liegt. Die Kathode 8 ist somit vor Bedampfung sicher geschützt. Durch diese Anordnung werden, wie sich gezeigt hat, elektrische Gasentladungen zwischen der Kathode und den geerdeten Bauteilen sicher vermieden.
Andernfalls bildet sich über der verdampfenden Substanz unter der Einwirkung des Elektronenbombardements eine Zone hohen Dampfdruckes und eine Ionenwolke aus, welche zu einer elektrischen Gasentladung führt, sobald die Dampfwolke die Kathode berührt. Eine solche Entladung muss vermieden werden, weil sie zu rascher Zerstörung der Kathode führt. Die Lebensdauer der Kathode bei der erfindungsgemässen Anord- nung, bei der diese Entladung tatsächlich vermieden wird, übertrifft diejenige der bekannten elektronischen Verdampfer, bei denen sich ebenfalls Elektronen- und Dampfquelle im gleichen Vakuumraum be- finden, um ein Vielfaches.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Kathode 8 unterhalb des oberen Randes der Wand 9 der positiven, die zu verdampfende Substanz umgebenden Beschleunigungselektrode. Die Elek- tronen treten in diesem Falle schräg nach oben durch den Spalt 19 aus und müssen um 900 oder mehr von ihrer Primärrichtung abgelenkt werden, um auf das Verdampfungsgut zu treffen. Eine Anordnung mit einer
Ablenkung von mehr als 900 empfiehlt sich vor allem dann, wenn Substanzen verdampft werden sollen, deren Dampf besonders leicht ionisierbar ist und zu elektrischen Entladungen neigt.
Zusätzlich zu der beschriebenen negativen Hilfselektrode zur Erzeugung eines auf die zu verdampfen- de Substanz gerichteten Elektronenringstrahls können in an sich bekannter Weise noch Mittel zur Erzeugung elektrischer und/oder magnetischer Ablenkfelder zur Einstellung der Schärfe und Lage des Brennflecks des
Elektronen-Ringstrahls vorhanden sein. In der Gesamtanordnung der Fig. 1 sind beispielsweise zwei Spulen
10 und 11 gezeichnet, welche ein durch die Stromstärke steuerbares magnetisches Ablenkfeld erzeugen.
Die Zeichnungen zeigen ausserdem Einrichtungen zur Kühlung des elektronischen Verdampfers wäh- rend des Betriebes. In einen Hohlraum des Trägers 5 für das Verdampfungsgut wird Kühlwasser durch die teilweise sichtbare Leitung 21 zugeführt und durch eine Leitung 22 wieder abgeführt. Desgleichen kann auch der Zylinder 15 gekühlt werden, wofür im Ausführungsbeispiel der Kühlring 23 mit Zuleitung 24 (und einer dahinterliegenden, nicht sichtbaren Ableitung) dient. Alle Kühlleitungen sind bei 25 vakuum- dicht durch den Boden 12 geführt. Die isolierten Strom- und Spannungszuführungen für die Kathode und die negative Hilfselektrode sind zweckmässigerweise im Innern der Kühlleitungen untergebracht und wer- den dadurch gleichfalls gekühlt. In diesem Falle kann sich Isolieröl als Kühlmedium empfehlen, an- sonsten wird gewöhnlich Wasser verwendet.
Die zur Evakuierung der Aufdampfanlage erforderliche Pumpanordnung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Sie besteht gewöhnlich aus einer mehrstufigenDiffusionspumpe 26 und einer mechanischen Vorpumpe 26', wobei die Leitungen 27/28 mit den Ventilen 29, 30, 31 und 32 in an sich bekannter Weise erst die Vorevakuierung unter Umgehung der Diffusionspumpe und anschliessend die Hochevakuierung durch die Diffusionspumpe hindurch gestatten. 33 ist ein üblicher Ölfänger. Die Glocke der Aufdampfanlage besitzt bei 35 ein Schauglas.
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Es wurden interessante und für die'Vakuumaufdampftechnik sehr bedeutsame Ergebnisse mit dem neuen elektronischen Verdampfer erzielt. Beispielsweise lässt sich Quarzpulver, welches sonst nicht ohne
Reduktion zu niedrigeren, absorbierenden Oxyden aus Tiegeln abgedampft werden kann, elektronisch ohne den geringsten Sauerstoffverlust verdampfen und als völlig absorptionsfreie Schutzschicht auf Linsen oder
Spiegeln niederschlagen. Solche Schichten sind auch, wie jedem Fachmann auf dem Gebiet der Auf- dampftechnik bekannt ist, von grosser Bedeutung für die Herstellung von Interferenzvielschichtsystemen mit 20 oder mehr Einzelschichten, weil in diesem Falle schon die geringste Absorption der Einzelschich- ten zu einem unerträglichen Gesamtlichtverlust des Systems führen würde.
Ein aktuelles Anwendungsbeispiel bietet die Herstellung von Kaltlichtspiegeln, d. s. Interferenzspiegel mit etwa 25 abwechselnd hoch-und niederbrechenden absorptionsfreien Schichten. Kaltlichtspiegel haben die Aufgabe, das sichtbare Licht möglichst vollständig zu reflektieren, das infrarot Licht dage- gen-weil es-z. B. den Film in einem Kinoprojektor erhitzt, ohne zur Bildwirkung etwas beizutragen- möglichst vollständig durchzulassen. Es ist von wirtschaftlicher Bedeutung, dass die für diese Anwendung und viele sonstige derartige Interferenzschichtanordnungen erforderlichen hoch-und niederbrechenden
Oxyde nunmehr direkt ohne zusätzliche Hilfsmassnahmen zur Erhaltung oder Wiederherstellung ihres Oxy- dationszustandes mittels des elektronischen Aufdampfverfahrens aufgebracht werden können.
Der erfin- dungsgemässe elektronische Verdampfer bildet eine kompakte Einheit, welche schnell und ohne besonde- re Umbauten in jede vorhandene Aufdampfanlage eingesetzt werden kann, wogegen bekannte Elektronen- kanonen für denselben Zweck einen präzisen und mit den vorhandenen Geräteteile oft in Konflikt gera- tenden Einbau erfordern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektronischer Verdampfer für die Verdampfung von Substanzen im Hochvakuum mit einem die zu schmelzende und zu verdampfende Substanz aufnehmenden Träger, welcher in der Achse einer Elek- tronen emittierenden Ringkathode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkathode von einer an sich bekannten negativen Hilfselektrode zur Erzeugung eines auf die zu verdampfende Substanz gerich-
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schleunigungselektrode derart angeordnet ist, dass die Kathode hinsichtlich der von der verdampfenden Substanz ausgehenden Dampfstrahlen im Schatten der Beschleunigungselektrode liegt.