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.
The present invention relates to a method and a device for bombarding a surface with an electrostatically focused electron beam, the
Electron beam is guided successively in time on different parts of the surface mentioned. This procedure and this
Device should be used in particular when
Vacuum melting and evaporation of substances. Sometimes you need a heating zone of very little
Diameter. roughly on the surface of one to be evaporated
Piece of metal to achieve the necessary high
To reach evaporation temperature. whereas in others
Cases a more extensive area is to be heated, e.g. at the
Evaporation of less good heat-conducting substances, such as
Quartz or other non-metallic substances.
The transition from one case to the other should be able to take place without interrupting the vacuum and without converting the electron beam generating device.
Electron beam guns are known which generate a focused electron beam, the focal point on the surface to be heated being able to be shifted by magnetic deflection fields. The use of electrostatic deflection fields has also been considered. The
Devices for generating electrostatic or electromagnetic deflection fields require a lot of effort, because they use special devices for power or
Require high voltage supply. In a known electron bombardment device with electrostatic focusing, an electron gun is arranged displaceably in a vacuum chamber on a frame, a movement of the focal spot on the surface to be heated being achieved by mechanically effected positional changes of the electron gun. The obvious disadvantages of such a device are the complicated structure and the susceptibility to failure of the movement mechanism to be operated in a vacuum.
The present invention aims to provide a better solution. in order to either feed the heat output transmitted by the electron beam to the smallest possible focal spot to generate the highest possible power density or to distribute it over a larger area with little effort.
The method according to the invention is characterized. that a mixture of direct and alternating current is used to heat the cathode of the electron beam generating device, the amplitude of the alternating heating current being measured so that a periodic deflection of the focused electron beam is achieved within the area mentioned and the direct current output of the heating current is such that this, together with the heating output caused by the alternating current component, results in a certain total heating output for the cathode.
This has the main advantage that magnetic deflection coils and mechanical adjustment devices can be dispensed with. Deflection coils are expensive because, as mentioned, they require their own power supply devices and also additional vacuum-tight power feedthroughs. Mechanical movement devices, on the other hand, are too sluggish and therefore do not allow the focal spot to be moved back and forth on the surface to be heated sufficiently quickly: they also require mechanical, vacuum-tight movement feedthroughs.
The invention, on the other hand, makes it possible to simply supply the corresponding heating current via the normal heating current supply lines which are already present, with the required heating current supply devices not being expensive, as can be seen from the following description of an exemplary embodiment.
The attached drawing, Fig. I shows schematically the
Overall arrangement and circuit for closing a
Area with an electrostatically focused electron beam for carrying out the method according to the invention.
Fig. 2 shows more detail and in perspective
Representation of the electron beam generating device with
Cathode and associated focusing electrodes, as well as the
Crucible and the pole pieces of the deflection magnet. In Fig. 1, 1 schematically denotes a vacuum chamber, which over the
Line 2 and valve 3 can be evacuated by means of the pumping device 4. The pumping device must be able to generate the vacuum required for the process to be carried out in the chamber: if necessary, it must be on
Instead of a simple vacuum pump, a pumping station consisting of a backing pump and a high vacuum pump can be provided.
Also indicated in the drawing is a
Evaporation crucible 5, in which to be evaporated
Material is located. its surface 6 with that from the
Electron beam generating device 7 originating.
focused electron beam X is to be bombarded for the purpose of heating.
Further fixtures in the vacuum chamber. such as Vorrichtun conditions for holding objects that are to be vaporized or holding devices for workpieces. which should be heated are not shown. Although the electron beam 8 with variable degree of focus for various purposes can be useful, for. B. also for editing
Work pieces, the invention brings advantages for vapor deposition technology. because it enables substances that conduct heat well, such as metals. as well as poorly thermally conductive substances such as oxides, fluorides and other non-metallic materials with the same device.
The electron beam generating device 7 has a
Incandescent cathode 11, which the heating current through the two
Power leads 12 and 13 is supplied. Before the cathode lt is a negative potential compared to the operation during operation
Cathode to be held so-called Wehnelt electrode 14 for
Arranged bundling of the electrons emerging from the cathode and in front of this the anode 15, which is at positive potential opposite the cathode. All electrodes are mounted on corresponding holding devices and of course are electrically insulated from one another.
To deflect the electron beam, a magnetic field with preferably parallel field lines is used, which can be generated in a known manner by an electric or permanent magnet, the pole shoes of which are more flat
Plates 16 and 17 are shown in FIG.
To supply the electron beam generating device 7 with the necessary operating voltages and currents, the rectifier circuit shown in FIG. 1 can be used.
As the drawing shows, the anode is expediently connected to earth potential during operation, while the
Cathode on negative high voltage. The latter is done using the
High voltage transformer 21 and rectifier 22 generated, the output of which is grounded on the positive side.
while the negative side with the center 24 of the
Secondary winding of the primary side controllable Heizstromtrans transformer 25 is connected and whereby the cathode is kept at negative high voltage during operation. The negative high voltage is also indirectly connected to the Wehnelt electrode 14 via the line 26: however, since it is at
Operation, under certain circumstances, should have a higher negative potential than the cathode for the purpose of optimal focusing, are still required to generate an additional negative voltage
Transformer 27 and a rectifier 28 are present, an adjustable part of whose DC output voltage is tapped by means of the voltage divider 29 and added to the voltage of the line 26, as FIG. 1 shows. A higher negative total voltage for the Wehnelt electrode 14 is thus available on the line 30.
The electrical potentials of the cathode, Wehnelt electrode and anode are selected in a known manner. that the electron beam has a crossover precisely at the desired point of impact on the surface 6, so that a focal spot of small diameter results on the surface mentioned.
The mechanical structure of the electron gun and various circuits for generating the cathode and Wehnelt voltages are known per se and will not be discussed further here. They can also be designed differently from the embodiment shown in the drawing according to known models.
The rectifier 27 'connected to the heating transformer 25 is provided to provide the heating current with a suitable AC and DC component necessary for carrying out the method, which outputs a DC voltage with the desired AC voltage component at its output terminals 30 and 31. The total heating power can be adjusted with the voltage divider 33 on the primary side of the transformer.
As FIG. 1 shows, both the output terminals 28 'and 29' of the filament transformer and the terminals 30 and 31 of the rectifier 27 are connected to the four-pole switch 32, which enables either a direct voltage with an adjustable alternating voltage component or - although not according to the invention mere alternating voltage of terminals 28 'and 29' (shown switch position) to apply to cathode 11. The switch 32, which is at high voltage during operation, is actuated via the insulating rod 34 by means of servo magnets 35.
In the case of the electron beam generating devices with alternating current heating of the cathode, which have so far mostly been used, special measures such as a special shape (e.g. so-called hairpin cathodes, spiral cathodes, bifilar cathodes) ensure that the magnetic field of the alternating current heating current disturbs the focusing as little as possible. Such so-called compensated cathodes were not only expensive, but, despite the compensation, resulted in a significantly poorer focusing than can be easily achieved with direct current heating. Materials with good thermal conductivity could therefore only be vaporized with relatively high heating outputs. On the other hand, precisely because of the compensation, the same cathodes resulted in too little displacement of the focal point on the surface to be heated when it was a matter of evaporating materials (insulators) that were very poorly thermally conductive.
It was therefore necessary to use different electron beam generating devices at least for these two extreme cases (which often occur in evaporation technology) or to apply the awkward and expensive electrostatic or electromagnetic deflection devices or mechanical movement devices mentioned at the beginning. In contrast, no compensated cathode is required to carry out the described method, which in itself represents a significant simplification and reduction in price. Rather, a non-compensated cathode, e.g. in the form of a simple straight filament.
With such cathodes, electrostatic focusing and direct voltage heating can be used to produce a focal spot of small diameter, e.g. 1 mm (which would not be possible for compensated cathodes even with direct current heating). Since such a sharp focus is rarely used in vapor deposition technology, the cathode is not operated with pure direct current, but rather a more or less large alternating current component is always provided.
That means again. that one does not need a well-smoothed direct current for the cathode heating, that is to say the rectifier 27 'does not have to be expensive (rectifiers for large but well-smoothed heating currents, on the other hand, would be very expensive). Often it is enough. if only a very specific mixture of direct and alternating current is made available. In this case, the rectifier 27 'can be designed so that the AC voltage component corresponding to the residual ripple of the rectified current is just the desired size, which then saves a special device for mixing DC and AC current.
If one also sees (as in the exemplary embodiment) the possibility, however, not according to the invention, of heating with pure alternating current. where the greatest periodic deflection of the focal spot on the surface to be heated results from the middle position given with direct current heating, then this is sufficient for by far most practical needs of industrial vapor deposition technology.
Of course, however, a circuit with the option of mixing the direct and alternating currents for heating the cathode with one another in any ratio has the advantage that it can be optimally adapted to the most varied of applications. Such a solution is therefore more recommended for general purpose systems and research equipment.
If the deflection of the focal spot in one direction (line focus) is sufficient for the intended purpose, which is usually the case in evaporation technology. this is achieved with the simple arrangement described in the exemplary embodiment. Fig. 2 shows the electrostatically focused electron beam in the two end positions 8 and 8 '. On the other hand, if the largest possible focal spot is to be achieved, the line focus caused by the alternating field of the heating current can be moved with the help of periodic changes in the deflection field so that a rectangular area of impact of the electron beam is created. This can be achieved by fluctuations in the excitation current of the deflecting magnet.