Die vorliegende Erfindung be71eht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschiessen einer Fläche mittels eines elektrostatisch fokussierten Elektronenstrahls, wobei der
Elektronenstrahl zeitlich nacheinander auf verschiedene Teile der genannten Fläche geführt wird. Dieses Verfahren und diese
Vorrichtung sollen insbesondere Anwendung finden beim
Vakuumschmelzen und -verdampfen von Stoffen. Dabei braucht man manchmal eine Erhitzungszone von sehr geringem
Durchmesser. etwa auf der Oberfläche eines zu verdampfenden
Metallstücks, um trotz starker Wärmeableitung die nötige hohe
Verdampfungstemperatur zu erreichen. wogegen in anderen
Fällen eine ausgedehntere Fläche zu erhitzen ist, z.B. beim
Verdampfen von weniger gut wärmeleitenden Stoffen, wie
Quarz oder anderen nichtmetallischen Substanzen.
Der Übergang vom einen zum anderen Fall soll ohne Unterbre chung des Vakuums und ohne Umbau der Elektronenstrahler zeugungseinrichtung erfolgen köfenen.
Es sind Elektronenstrahlkanonen bekannt, die einen fokussierten Elektronenstrahl erzeugen, wobei der Brennfleck auf der zu erhitzenden Fläche durch magnetische Ablenkfelder verschoben werden kann. Auch die Anwendung elektrostatischer Ablenkfelder ist in Betracht gezogen worden. Die
Einrichtungen zur Erzeugung elektrostatischer oder elektromagnetischerAblenkfelder bedingen aber einen hohen Aufwand, weil sie besondere Geräte zur Strom- bzw.
Hochspannungsversorgung erfordern. Bei einer bekannten Elektronenbeschussvorrichtung mit elektrostatischer Fokussierung ist eine Elektronenkanone in einer Vakuumkammer auf einem Gestell verschiebbar angeordnet, wobei durch mechanisch bewirkte Lageveränderungen der Elektronenkanone eine Bewegung des Brennflecks auf der zu erhitzenden Fläche erzielt wird. Die offensichtlichen Nachteile einer solchen Einrichtung sind der komplizierte Aufbau und die Störungsanfälligkeit des im Vakuum zu betreibenden Bewegungsmechanismus.
Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine bessere Lösung anzugeben. um mit geringem Aufwand die vom Elektronenstrahl übertragene Heizleistung wahlweise einem möglichst kleinen Brennfleck zur Erzeugung einer möglichst hohen Leistungsdichte zuzuführen oder auf einer grösseren Fläche zu verteilen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet. dass zur Beheizung der Kathode der Elektronenstrahler zeugungseinrichtung eine Mischung von Gleich- und Wechselstrom angewendet wird, wobei die Amplitude des Wechselheizstromes so bemessen wird, dass eine periodische Ablenkung des fokussierten Elektronenstrahls innerhalb der genannten Fläche erreicht wird und die Gleichstromleistung des Heizstroms so bemessen wird, dass diese zusammen mit der von der Wechselstromkomponente bewirkten Heizleistung eine bestimmte Gesamtheizleistung für die Kathode ergibt.
Dadurch erreicht man vor allem den Vorteil, dass man auf magnetische Ablenkspulen und mechanische Verstelleinrich tungen verzichten kann. Ablenkspulen sind nämlich aufwendig, denn sie erfordern, wie erwähnt, eigene Stromversorgungsgeräte und ausserdem zusätzliche vakuumdichte Stromdurchführungen. Mechanische Bewegungseinrichtungen andererseits sind zu träge und ermöglichen deshalb kein genügend rasches Hin- und Herführen des Brennflecks auf der zu erhitzenden Fläche: ausserdem benötigen sie mechanische vakuumdichte Bewegungsdurchführungen.
Durch die Erfindung dagegen wird es ermöglicht einfach den entsprechenden Heizstrom über die normalen, ohnehin vorhandenen Heizstromzuführungen zuzuführen, wobei die erforderlichen Heizstromversorgungsgeräte nicht kostspielig sind, wie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ersehen werden kann.
Die anliegende Zeichnung, Fig. I zeigt schematisch die
Gesamtanordnung und Schaltung zum Beschliessen einer
Fläche mit einem elektrostatisch fokussierten Elektronenstrahls zur Durchführung des Verfahrens gemäss Erfindung.
Die Fig. 2 zeigt mehr detailliert und in perspektivischer
Darstellung die Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung mit
Kathode und zugehöriger Fokussierungselektroden, sowie den
Tiegel und die Polschuhe des Ablenkmagneten. In Fig. 1 bedeutet 1 schematisch eine Vakuumkammer, welche über die
Leitung 2 und Ventil 3 mittels der Pumpeinrichtung 4 evakuiert werden kann. Die Pumpeinrichtung muss in der Lage sein, in der Kammer das für den jeweils durchzuführenden Prozess erforderliche Vakuum zu erzeugen: nötigenfalls muss also an
Stelle einer einfachen Vakuumpumpe ein Pumpstand bestehend aus einer Vorvakuumpumpe und einer Hochva kuumpumpe vorgesehen werden.
In der Zeichnung schematisch angedeutet ist ferner ein
Verdampfungstiegel 5, in welchem sich zu verdampfendes
Material befindet. dessen Oberfläche 6 mit dem aus der
Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 7 stammenden.
fokussierten Elektronenstrahl X zwecks Erhitzung beschossen werden soll.
Weitere Einbauten in der Vakuumkammer. wie Vorrichtun gen zur Halterung von Gegenständen, die bedampft werden sollen oder Haltevorrichtungen für Werkstücke. die erhitzt werden sollen, sind nicht gezeichnet. Obwohl das Elektronen strahlbündel 8 mit variablen Fokussierungsgrad für verschie denste Zwecke nützlich sein kann, z. B. auch zum Bearbeiten von
Werkstücken, bringt die Erfindung doch vor allem Vorteile für die Aufdampftechnik. weil sie ermöglicht, sowohl gut wärmeleitende Substanzen, wie Metalle. als auch schlecht wärmeleitende Substanzen, wie Oxyde, Fluoride und andere nichtmetallische Materialien mit derselben Einrichtung zu verdampfen.
Die Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung 7 weist eine
Glühkathode 11 auf, welcher der Heizstrom über die beiden
Stromzuführungen 12 und 13 zugeführt wird. Vor der Kathode lt ist eine beim Betrieb auf negativem Potential gegenüber der
Kathode zu haltende sogenannte Wehneltelektrode 14 zur
Bündelung der von der Kathode austretenden Elektronen angeordnet und vor dieser die gegenüber der Kathode auf positivem Potential befindliche Anode 15. Alle Elektroden sind auf entsprechenden Haltevorrichtungen aufgebaut und natürlich gegeneinander elektrisch isoliert.
Zur Umlenkung des Elektronenstrahlbündels dient ein magnetisches Feld mit vorzugsweise parallelen Feldlinien, das in bekannter Weise durch einen Elektro- oder Permanentma gneten erzeugt werden kann, dessen Polschuhe in Form ebener
Platten 16 und 17 in Fig. 2 dargestellt sind.
Zur Versorgung der Elektronenstrahlerzeugungseinrich tung 7 mit den nötigen Betriebsspannungen und -strömen kann die in der Fig. 1 dargestellte Gleichrichterschaltung benutzt werden.
Wie die Zeichnung zeigt, wird beim Betrieb die Anode zweckmässigerweise auf Erdpotential gelegt, dagegen die
Kathode auf negative Hochspannung. Letztere wird mittels des
Hochspannungstransformators 21 und Gleichrichters 22 erzeugt, dessen Ausgang auf der positiven Seite geerdet ist.
während die negative Seite mit dem Mittelpunkt 24 der
Sekundärwicklung des primärseitig regelbaren Heizstromtrans formators 25 in Verbindung steht und wodurch die Kathode beim Betrieb auf negativer Hochspannung gehalten wird. Die negative Hochspannung ist ferner über die Leitung 26 indirekt mit der Wehneltelektrode 14 verbunden: da diese jedoch beim
Betrieb unter Umständen zwecks optimaler Fokussierung ein höheres negatives Potential aufweisen soll als die Kathode, sind zur Erzeugung einer zusätzlichen negativen Spannung noch ein
Transformator 27 und ein Gleichrichter 28 vorhanden, von dessen Ausgangsgleichspannung ein einstellbarer Teil mittels des Spannungsteilers 29 abgegriffen und zur Spannung der Leitung 26 addiert wird, wie die Fig. 1 zeigt. An der Leitung 30 steht somit eine höhere negative Gesamtspannung für die Wehneltelektrode 14 zur Verfügung.
Die elektrischen Potentiale von Kathode, Wehneltelektrode und Anode werden in bekannter Weise derart gewählt. dass das Elektronenstrahlbündel gerade an der gewünschten Auftreffstelle auf der Fläche 6 einen Crossover aufweist, so dass sich auf der genannten Fläche ein Brennfleck geringen Durchmessers ergibt.
Der mechanische Aufbau des Elektronenstrahlerzeugungssystems sowie verschiedene Schaltungen zur Erzeugung der Kathoden- und der Wehneltspannung sind an sich bekannt und sollen hier nicht weiter erörtert werden. Sie können nach bekannten Vorbildern auch abweichend von der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ausgebildet werden.
Zur Bereitstellung des für die Durchführung des Verfahrens notwendigen Heizstromes mit passendem Wechsel- und Gleichstromanteil ist der mit dem Heiztransformator 25 verbundene Gleichrichter 27' vorgesehen, welcher an seinen Ausgangsklemmen 30 und 31 eine Gleichspannung mit gewünschtem Wechselspannungsanteil abgibt. Die Gesamtheizleistung kann dabei mit dem Spannungsteiler 33 an der Primärseite des Transformators eingestellt werden.
Wie die Fig. 1 zeigt, sind sowohl die Ausgangsklemmen 28' und 29' des Heiztransformators als auch die Klemmen 30 und 31 des Gleichrichters 27 mit dem vierpoligen Schalter 32 verbunden, der ermöglicht wahlweise eine Gleichspannung mit einstellbarem Wechselspannungsanteil oder - zwar nicht erfindungsgemäss - die blosse Wechselspannung der Klemmen 28' und 29' (gezeichnete Schalterstellung) an die Kathode 11 zu legen. Die Betätigung des auf beim Betrieb auf Hochspannung befindlichen Schalter 32 erfolgt über die isolierende Stange 34 mittels Servomagneten 35.
Bei den bisher meist benutzten Elektronenstrahlerzeugungseinrichtungen mit Wechselstromheizung der Kathode wurde stets danach getrachtet, durch besondere Massnahmen wie eine besondere Formgebung (z.B. sogenannte Haarnadelkathoden, Spiralkathoden, Bifilarkathoden) zu erreichen, dass das Magnetfeld des Heiz- Wechselstromes die Fokussierung möglichst wenig störte. Solche sogenannten kompensierten Kathoden waren nicht nur teuer, sondern ergaben trotz der Kompensation eine wesentlich schlechtere Fokussierung, als mit Gleichstromheizung ohne weiteres zu erzielen ist. Gut wärmeleitende Stoffe konnten daher nur mit relativ hohen Heizleistungen verdampft werden. Andererseits ergaben aber dieselben Kathoden gerade wegen der Kompensation eine zu geringe Verschiebung des Brennflecks auf der zu erhitzenden Fläche, wenn es galt, sehr schlecht wärmeleitende Materialien (Isolatoren) zu verdampfen.
Deshalb war man gezwungen, wenigstens für diese beiden (in der Verdampfungstechnik oft auftretenden) Extremfälle verschiedene Elektronestrahlerzeugungseinrichtungen zu benutzen oder die eingangs erwähnten umständlichen und teueren elektrostatischen oder elektromagnetischen Ablenkeinrichtungen oder mechanischen Bewegungseinrichtungen anzuwenden. Für die Ausführung des beschriebenen Verfahrens benötigt man dagegen keine kompensierte Kathode, was an sich schon eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung darstellt. Vielmehr verwendet man dafür zweckmässigerweise eine nicht kompensierte Kathode z.B. in Form eines einfachen geraden Glühfadens.
Mit solchen Kathoden kann man durch elektrostatische Fokussierung und mit Gleichspannungsheizung einen Brennfleck von geringem Durchmesser von z.B. 1 mm erzielen (was für kompensierte Kathoden auch mit Gleichstrombeheizung nicht möglich wäre). Da man nun aber eine derart scharfe Fokussierung in der Aufdampftechnik kaum anwendet, wird die Kathode nicht mit reinem Gleichstrom betrieben, sondern stets ein mehr oder weniger grosser Wechselstromanteil vorgesehen.
Das bedeutet wiederum. dass man keinen gut geglätteten Gleichstrom für die Kathodenheizung braucht, also der Gleichrichter 27' nicht aufwendig sein muss (Gleichrichter für grosse, jedoch gut geglättete Heizströme wären dagegen sehr kostspielig). Oft genügt es. wenn nur eine ganz bestimmte Mischung von Gleich- und Wechselstrom zur Verfügung gestellt wird. In diesem Falle kann man dann den Gleichrichter 27' so auslegen, dass der der Restwelligkeit des gleichgerichteten Stromes entsprechende Wechselspannungsanteil gerade die gewünschte Grösse besitzt, wodurch man dann eine besondere Einrichtung zum Mischen von Gleich- und Wechselstrom einspart.
Sieht man daneben noch (wie im Ausführungsbeispiel) die allerdings nicht erfindungsgemässe Möglichkeit vor, mit reinem Wechselstrom zu heizen. wobei sich die grösste periodische Auslenkung des Brennflecks auf der zu erhitzenden fläche von der mit Gleichstromheizung gegebenen mittleren Lage ergibt, dann genügt dies für weitaus die meisten praktischen Bedürfnisse der industriellen Aufdampftechnik.
Selbstverständlich bietet aber eine Schaltung mit der Möglichkeit, den Gleich- und Wechselstrom für die Heizung der Kathode in beliebigem Verhältnis miteinander zu mischen, den Vorteil, dass man sich den verschiedensten Anwendungsfällen optimal anpassen kann. Eine solche Lösung ist daher mehr für Allzweckanlagen und Forschungsgeräte zu empfehlen.
Wenn die Auslenkung des Brennflecks in einer Richtung ( Strichfokus ) für den vorgesehenen Verwendungszweck genügt, was in der Verdampfungstechnik meist der Fall ist. wird dies mit der einfachen, im Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnung erreicht. Die Fig. 2 zeigt das elektrostatisch fokussierte Elektronenstrahlbündel in den beiden Endlagen 8 und 8'. Soll andererseits ein möglichst grosser Brennfleck erreicht werden, so lässt sich der durch das Wechselfeld des Heizstromes verursachte Strichfokus mit Hilfe periodischer Veränderungen des Umlenkfeldes so bewegen, dass ein rechteckförmiger Auftreffbereich des Elektronenstrahles entsteht. Dies kann durch Schwankungen des Erregerstromes des Umlenkmagneten bewerkstelligt werden.