DE102020213174A1

DE102020213174A1 - Aktiv gekühlte elektronenkanone zur materialverdampfung im vakuum

Info

Publication number: DE102020213174A1
Application number: DE102020213174.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Sigl
Original assignee: Theva Dunnschichttechnik GmbH
Current assignee: Theva Dunnschichttechnik GmbH
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21
Also published as: AT524356A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Emitteranordnung für eine Elektronenkanone, umfassend einen aktiv gekühlten Kathodenblock und eine Beschleunigeranode, bevorzugt ringförmig, wobei der Kathodenblock einen Kühlkörper, eine Emitterbaugruppe und einen Isolator umfasst, der wärmeleitend zwischen dem Kühlkörper und der Emitterbaugruppe angeordnet ist, wobei der Isolator eine Wärmeleitfähigkeit λ größer oder gleich 20 W / (m · K), bevorzugt größer oder gleich 50 W / (m · K) und mehr bevorzugt größer oder gleich 90 W / (m · K) aufweist.Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine aktiv gekühlte Strahlführungseinrichtung für eine Elektronenkanone, aufweisend ein Strahlrohr, das zumindest einen Kühlkanal aufweist, der von einem Kühlmedium, bevorzugt Wasser, durchströmt werden kann und zumindest eine elektronenoptische Komponente zur Strahlführung, bevorzugt zumindest eine Magnetspule.Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine axiale Elektronenkanone, die eine Emitteranordnung und eine aktiv gekühlte Strahlführungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.

Description

1. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone zur Verdampfung von Materialien im Hochvakuum (PVD). Solche Elektronenstrahlverdampfer werden in der industriellen Beschichtungstechnik eingesetzt, um mit hoher Rate dünne Schichten auf Oberflächen aufzudampfen. Beispiele sind u.a. Aluminiumschichten als Wasserdampfdiffusionssperre auf Kunststofffolie, Metallkontaktschichten, isolierende oder dielektrische Schichten aus Metalloxiden für Optikkomponenten oder Hochtemperatursupraleiter (HTS) -Schichten auf dünnen Metallfolien zur Herstellung von supraleitenden Bandleitern.
2. Stand der Technik
Das Verdampfen von Materialien im Hochvakuum mittels Elektronenstrahl ist ein etabliertes Verfahren. Entsprechend vielfältig ist die Auswahl an Elektronenkanonen und Strahlerzeugern, die zum Einsatz kommen. Vor allem im Bereich der Entwicklung und der Beschichtung optischer Komponenten kommen gern kompakte Elektronenstrahlverdampfer zum Einsatz, bei denen die Strahlerzeugungseinheit direkt am Verdampfungstiegel sitzt und der Elektronenstrahl mit passiver Fokussierung über einen Magneten um 270° auf den Tiegel gelenkt wird.
Ein frühes Beispiel für diese Anordnung findet sich in der DE 2 442 032 A1 . EP 1204 507 und EP 1830 382 beschreiben Kathodenanordnungen für eine lichtbogenfreie Strahlerzeugung. Aufgrund des nahe am Verdampfungstiegel sitzenden Emitters wird dieser jedoch leicht verschmutzt und diese Anordnung eignet sich nicht zum Verdampfen größerer Materialmengen von mehr als 100 g Die Standzeiten dieser Verdampfer sind beim Verdampfen größerer Materialmengen begrenzt.
Besser in Hinblick auf lange Standzeiten und größere Materialmengen sind deshalb axiale Elektronenkanonen, die sich vom Verdampfungstiegel trennen lassen, so dass der Emitter aufgrund der Entfernung deutlich weniger verschmutzt wird. Axiale Elektronenkanonen umfassen üblicherweise ein Quellenteil, in dem die Strahlerzeugung stattfindet, sowie ein Strahlrohr, in dem der Elektronenstrahl fokussiert und abgelenkt wird, so dass am Tiegel die für das Verdampfen nötige Leistungsdichte zur Verfügung steht. Für die Erzeugung des Elektronenstrahls sind verschiedene Konzepte aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise können Elektronenstrahlen über eine Kathode mit Wehnelt-Zylinder (vgl. DE 1953 722 9 oder EP 3 238 98 B1 ) , aus Hohlkathoden mit Verdränger (vgl. DE 10 2016 120416 ), aus Feldemissionsspitzen (vgl. DD 2 878 56 ) oder durch massive, beheizte Kathoden, in der sogenannten Pierce-Geometrie, wie in DD 1323 80 A1 oder EP 2 077 574 B1 beschrieben, erzeugt werden.
Bei der Strahlerzeugung aus Spitzen oder Wehnelt-Zylindern erreicht man hohe Strahlleistungen nur durch sehr hohe Beschleunigungsspannung - typischerweise höher als 60 kV, oftmals mehr als 100 kV. Dies macht die Stromversorgung der Elektronenkanone sehr teuer. Problematisch ist dabei ebenfalls, dass axiale Elektronenkanonen sehr groß dimensioniert werden müssen und spezielle Sicherheitskonzepte notwendig sind, da in solchen Beschichtungsanlagen harte Röntgenstrahlung entsteht. Die Strahlerzeugung in diesen Anordnungen ist zudem sehr empfindlich von der genauen Justierung der Komponenten der Elektronenkanone abhängig. Deshalb ist auch die Wartung aufwändig und kann nur von Fachpersonal durchgeführt werden, was wiederum die Kosten erhöht und die Standzeit der Elektronenkanone im Betrieb reduziert.
Mit konventionellen Pierce-Emittern lassen sich hingegen Elektronenströme >500 mA erzeugen wodurch die Beschleunigungsspannung geringer gewählt werden kann. Typischerweise liegt sie zwischen 10 - 30 kV.
Die massive Kathode macht die Pierce-Elektronenkanone zudem robust gegen Ionenbeschuss und Verschleiß. Entstehen im Bereich der Quelleneinheit positive geladenen Ionen - z.B. aus Restgas oder eindringendem Reaktivgas - so werden die Ionen auf die Kathode hin beschleunigt und führen dort beim Aufprall zu Materialabtrag.
1 zeigt exemplarisch die axiale Elektronenkanone in Pierce-Konfiguration wie sie in der EP 2077574 B1 beschrieben ist, um den prinzipiellen Aufbau zu zeigen. Im linken Teil ist der Quellenteil 31 der Elektronenkanone zu sehen, umfassend die massive, flächige Kathode 37, die von hinten durch ein Filament 36 durch Elektronenbeschuss beheizt wird. Ebenfalls dargestellt sind die Wehnelt-Elektroden 38 zum Bündeln der extrahierten Elektronen und die Anode 39, die den Übergang zum Strahlrohr 30 mit der Elektronenoptik 40, 41 darstellt.
Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Standzeit der Elektronenkanone im Betrieb erhöht werden kann, wenn der Bereich der Strahlerzeugung differenziell gepumpt wird, um den Restgasdruck herabzusetzen wie etwa in DE 4 428 508 beschrieben.
Ferner ist bekannt, dass das Eindringen von Gas aus dem Beschichtungsbereich durch Blenden erschwert werden kann, wie in DE 1973 0855 beschrieben. Alternativ können die auftreffenden Ionen in einen Hohlraum im Zentrum der Kathode, einen sog. Ionensumpf geleitet werden (vgl. JP 2005/268177 .
Die aus dem Stand der Technik bekannten Elektronenkanonen haben jedoch verschiedenen Nachteile.
Beispielsweise sind die oben beschriebenen Elektronenstrahlverdampfer mit 270°-Ablenkung zwar kompakt und günstig, jedoch nicht für große Verdampfungsmengen geeignet. Denn, durch die unmittelbare Nachbarschaft zum Verdampfungstiegel, der eine starke Verschmutzungsquelle darstellt, werden die Kathode und andere hochspannungsführende Bauteile stark beschichtet, so dass es nach einiger Zeit zu elektrischen Überschlägen und Lichtbögen kommt, die zum Abschalten der Stromversorgung oder zu Schäden führen können. Zudem werden positiv geladene Ionen, die über dem Tiegel entstehen aufgrund der Beschleunigungsspannung entgegen dem Weg der Elektronen zum Filament hin beschleunigt und Beschichten dort beim Auftreffen den Filamentdraht, der dadurch beschädigt wird und zerstört werden kann. Bei hohen Aufdampfraten ist deshalb die Standzeit solcher Verdampfer im Betrieb auf wenige Stunden beschränkt, bevor eine Wartung (z.B. Reinigung und Filamentwechsel) notwendig wird. Solche Verdampfer scheiden deshalb für kontinuierliche Prozesse mit großen Abdampfmengen aus.
Die aus dem Stand der Technik bekannten axialen Elektronenkanonen erreichen zwar lange Standzeiten im Betrieb, sind aber sehr komplex aufgebaut, teuer und vor allem schwer und aufwendig zu warten. Allen gemeinsam ist, dass die Strahlerzeugung im Quellenbereich sehr empfindlich von den Abständen der Bauteile im Emitter und deren Justierung abhängig ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die Umgebung des Emitters durch die Heizung der Kathode oder das Auftreffen energiereicher Elektronen sehr heiß wird. Dadurch dehnen sich die Komponenten aus und die Justierung verändert sich. Auch das Strahlrohr kann durch auftreffende Elektronen bei schlechter Justierung stark aufgeheizt und sogar zerstört werden.
Selbst im normalen Betrieb kommt es mit der Zeit im Quellenteil zu Verschmutzungen, die die Feldkonfiguration im Emitter und die Lebensdauer der Komponenten erheblich beeinträchtigen können. Ursache dafür sind positive Ionen die im Quellenbereich durch Stoßionisation im Restgas entstehen, und auf die Kathode hin beschleunigt werden und diese erodieren. Abgesputtertes Material (z.B. Wolfram und Wolframoxid) schlägt sich auf den benachbarten Bauteilen und Isolatoren nieder und verändert dadurch die elektrische Leitfähigkeit der Oberflächen. Durch die hohen Temperaturen in diesem Bereich verzundern auch Schraubverbindungen, was das Lösen und Wiederverwenden dieser Teile, die allgemeine Wartung und den Filamentwechsel erschwert.
Es ist somit das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem einige dieser Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise zu verringern.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Das oben angeführte Problem wird zumindest teilweise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Erfindung gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Emitteranordnung für eine Elektronenkanone zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial bereit, umfassend einen aktiv gekühlten Kathodenblock, und eine Beschleunigeranode, bevorzugt ringförmig, wobei der Kathodenblock einen Kühlkörper, eine Emitterbaugruppe und einen Isolator umfasst, der wärmeleitend zwischen dem Kühlkörper und der Emitterbaugruppe angeordnet ist und wobei der Isolator eine Wärmeleitfähigkeit λ größer oder gleich 20 W / (m · K), bevorzugt größer oder gleich 50 W / (m · K) und mehr bevorzugt größer oder gleich 90 W / (m · K) aufweist.
Hier und im Folgenden werden temperaturabhängige Materialeigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit λoder der spezifische elektrische Widerstand ρ bei einer Temperatur von 100°C angegeben werden.
Insbesondere führt die aktive Kühlung der Emitterbaugruppe über den gut wärmeleitenden Isolator dazu, dass alle für die Justage der Emitteranordnung relevanten Bauteile formstabil bleiben und nicht verzundern. Zudem sind bauartbedingt alle Teile, die verschmutzen können und regelmäßig gereinigt werden müssen sehr einfach und schnell zugänglich und können durch einen Mechaniker ohne hochspannungstechnische Qualifikation sicher gewechselt und montiert werden.
Wie weiter unten erläutert erlaubt es eine solche Emitteranordnung Elektronenkanonen zu konstruieren, die wesentlich wartungsärmer sind und eine signifikant höhere Standzeit im Dauerbetrieb aufweisen als die aus dem Stand der Technik bekannten Elektronenkanonen zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial im Vakuum.
Insbesondere kann der Isolator, aus einer hoch wärmeleitfähigen Keramik oder einem Kunststoff mit hoch wärmeleitfähigem keramischen Füllmaterial gefertigt sein, wobei das Keramikmaterial bevorzugt eine Verbindung von Elementen der III und V Hauptgruppe, mehr bevorzugt von Al₂N₃ und / oder BN aufweist.
Ferner kann der Isolator einen spezifischen Widerstand ρ größer oder gleich 10⁹ Ω · cm, bevorzugt größer oder gleich 10¹⁰ Ω · cm, mehr bevorzugt größer oder gleich 10¹¹ Ω · cm, und am meisten bevorzugt größer oder gleich 10¹² Ω · cm aufweisen und / oder der Isolator kann eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von größer oder gleich 40 kV/mm bevorzugt von größer oder gleich 50 kV / mm und mehr bevorzugt von größer oder gleich 65 kV / mm aufweisen.
Durch die Verwendung solcher Isolatoren zwischen Kühlkörper und Emitterbaugruppe, kann selbst bei kompakter Bauweise, hohen Beschleunigungsspannungen und starken Strahlströmen eine vollständige elektrische Isolation der Emitterbaugruppe und ein effizienter Wärmeabtransport gewährleistet werden.
Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die Emitteranordnung im Betrieb einen Elektronenstrahl mit einer Leistung von 0,5 kW - 36 kW, bevorzugt mit einer Leistung von 1 - 15 kW erzeugen und / oder einen Elektronenstrahl mit einem effektiven Strahlstrom von 100 mA - 1200 mA bei einer Beschleunigungsspannung von 5-30 kV, bevorzugt von 6 - 12 kV erzeugen.
Beispielsweise kann die Temperatur der Emitterbaugruppe, gemessen am äußeren Rand der Oberfläche der Emitterbaugruppe, die der Beschleunigeranode zugewandt ist, nicht größer als 200°C bevorzugt nicht größer als 175°C und mehr bevorzugt nicht größer als 150°C sein und / oder die Beschleunigeranode kann selbst ebenfalls aktiv gekühlt sein, so dass im Betrieb der Emitteranordnung die Temperatur der Beschleunigeranode, gemessen am äußeren Rand der Beschleunigeranode, nicht größer als 200°C bevorzugt nicht größer als 175°C und mehr bevorzugt nicht größer als 150°C ist.
Die damit erreichten Temperaturgradienten über die verschiedenen Bauteile und Baugruppen der Emitteranordnung führen dazu, dass keine Materialverspannungen und eine dadurch bedingte Dejustage der Emitteranordnung auftreten.
Ferner kann der Kühlkörper in einigen Ausführungsformen zumindest einen Kühlkanal aufweisen, der von einem Kühlmedium, bevorzugt Wasser, durchströmt werden kann und / oder der Kühlkörper kann aus einem Material gefertigt sein, bevorzugt Kupfer oder Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit λ größer oder gleich 200 W / (m · K) W / (m · K), bevorzugt größer oder gleich 300 W / (m · K) aufweist.
Auf diese Weise kann die von der Emitterbaugruppe über den hoch wärmeleitfähigen Isolator an den Kühlkörper transportierte Wärme effizient vom Kühlkörper aufgenommen und abgeführt werden. Dadurch lässt sich die Kompaktheit der Emitteranordnung weiter steigern und die Wartungsintensität reduzieren.
In einigen Ausführungsformen kann die Emitterbaugruppe der Emitteranordnung zwei voneinander elektrisch isolierte Untereinheiten aufweisen, deren dem Anodenring zugewandten Oberflächen eine zumindest teilweise konkave Vertiefung ausbilden, in die eine Heizwendel, bevorzugt ein Wolframfilament eingesetzt ist.
Auf diese Weise kann einerseits trotz der an der Emitterbaugruppe anliegenden Beschleunigungsspannung im kV Bereich, ein ausreichend starker Heizstrom durch die der Beschleunigeranode zugewandte Heizwendel geleitet werden. Die konkaven Oberflächen der beiden Untereinheiten führen ferner zu einer elektrischen Feldverteilung des Beschleunigungsfelds, das die aus der Heizwendel emittierten Elektronen effizient auf die Öffnung der Beschleunigeranode fokussiert bzw. ausrichtet.
Ferner kann dabei das Zentrum der Heizwendel ausgespart sein und / oder die Heizwendel als flache Spirale ausgeführt sein, so dass die Elektronen aus einer flächigen Anordnung emittiert werden. Die Heizwendel kann dabei eine Heizleistung von größer oder gleich 150 W bevorzugt größer oder gleich 200 W aufweisen.
Das ausgesparte Zentrum der Heizwendel verhindert, dass ein Großteil der erzeugten Restgasionen, die in Richtung der Emitteranordnung beschleunigt werden, die Heizwendel trifft und diese beschädigen können.
Ferner kann im Kathodenblock der Emitteranordnung ein zentraler Kanal angeordnete sein, der in einen Ionensumpf führt, in dem positive Ionen in einem auswechselbaren Ionenabsorber, bevorzugt einer drehbaren Keramikpille, gestoppt werden, die als Opfermaterial dient.
Diese Anordnung erlaubt es nicht nur das Filament, sondern auch die felderzeugenden, konkaven Oberflächen der Emitterbaugruppe vor Beschuss mit positiv geladenen Ionen zu schützen. Das dreh- und auswechselbare Opfermaterial reduziert den Wartungsaufwand und Materialverschleiß.
Ferner kann in einigen Ausführungsformen die Beschleunigeranode eine Apertur mit einem mittleren Durchmesser von 5 mm bis 8 mm aufweisen und / oder die Emitteranordnung einen Anschluss für eine Vakuumpumpe oder einen Bypass aufweisen und / oder in der Emitteranordnung (11) ein Hintergrundgasdruck von höchstens 5 · 10^-5 mbar vorherrschen.
Beispielsweise kann die Emitteranordnung durch eine Turbomolekularpumpe mit einer Saugleistung von bis zu 80 1/s differenziell abgepumpt werden. Zusammen mit der Apertur der Beschleunigeranode führt dies dazu, dass in der Emitterbaugruppe ein Gasdruck von kleiner oder gleich 5 · 10^-5 mbar (d.h. 5 · 10^-3 Pa) Aufrecht erhalten werden kann. Dadurch kann die Elektronenstrahlkanone dauerhaft auch in reaktiver Atmosphäre (z.B. Sauerstoff, H₂O) bei bis zu 10^-3 mbar (10^-1 Pa) im Verdampfungsbereich betrieben werden. Wird bei ausreichender Qualität des Vakuums in der Beschichtungskammer keine Turbomolekularpumpe eingesetzt, so kann die Emitteranordnung zum einfacheren Evakuieren mit einem Bypass zur Hauptkammer verbunden werden.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine aktiv gekühlte Strahlführungseinrichtung für eine Elektronenkanone bereit, die folgendes umfasst: ein Strahlrohr, das zumindest einen Kühlkanal aufweist, der von einem Kühlmedium, bevorzugt Wasser, durchströmt werden kann und zumindest eine elektronenoptische Komponente zur Strahlführung, bevorzugt zumindest eine Magnetspule.
Ferner kann an der Innenwand des Strahlrohrs eine herausnehmbare Auskleidung angeordnet sein, die eine Wärmeleitfähigkeit λ größer oder gleich 50 W / (m · K), bevorzugt größer oder gleich 300 W / (m · K) aufweist und die sich bei Erwärmung ausdehnt, um sich im Wesentlichen formschlüssig an die aktiv gekühlte Innenwand des Strahlrohrs anzulegen.
Beispielsweise kann das Strahlrohr der Strahlführungseinrichtung fest an eine Beschichtungskammer angeflanscht sein. Ferner kann durch die vordere Austrittsöffnung des Rohrs zur Kammer ein dünnwandiges Rohr, vorzugsweise aus Kupfer, als eine solche Auskleidung eingeführt werden. Dieses kann bei Verschmutzung leicht ausgetauscht werden, so dass die gesamte Strahlrohroptik fest mit der Beschichtungskammer verbaut werden und dort verbleiben kann. Im Betrieb erhitzt sich die Auskleidung durch gestreute Elektronen, dehnt sich leicht aus und sitzt dann formschlüssig an der gekühlten Wand des Strahlrohrs und wird dadurch selbst effektiv gekühlt. Dadurch lässt sich selbst im Falle einer Fehlfunktion, z.B. bei Ausfall einer magnetischen Linse, die Energie des Elektronenstrahls sicher in die gekühlte Wand abführen ohne Schaden anzurichten.
Die oben beschriebene Emitteranordnung und Strahlführungseinrichtung können auch zu einer axialen Elektronenkanone kombiniert werden.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine axiale Elektronenkanone zum Verdampfen eines Beschichtungsmaterials in einer Vakuumumgebung bereit, die eine der oben beschriebenen Emitteranordnung umfasst, sowie eine aktiv gekühlte Strahlführungseinrichtung wie oben beschrieben.
Insbesondere lässt sich die Emitteranordnung mit der Strahlführungseinrichtung so kombinieren, dass sich die Beschleunigeranode der Emitteranordnung in thermischen Kontakt mit der Strahlführungseinrichtung befindet und von dieser zumindest teilweise aktiv gekühlt wird.
Dabei kann die Emitteranordnung mit Kathodenblock und Beschleunigungsanode außerhalb der Beschichtungskammer am hinteren Teil der Elektronenkanone angeordnet sein. Alle Teile sind von dort durch Öffnen einiger Schrauben, die wegen der niedrigen Temperaturen im Betrieb nicht verzundern, mit einigen Handgriffen leicht ausgetauscht werden und gereinigt werden.
Eine solche axiale Elektronenkanone erlaubt es insbesondere einen Elektronenstrahl zu erzeugen, bei dem die Leistungsdichte des Elektronenstrahls auf dem zu verdampfenden Material in einem Bereich von 1-30 kW / cm², bevorzugt in einem Bereich von 10 - 20 kW / cm² liegt. Typischerweise ist dabei die Fläche des Brennflecks auf dem Beschichtungsmaterial oder in der Bearbeitungszone nicht kleiner als 50 mm².
Unter Verwendung einiger oder aller der oben beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lässt sich eine robuste, wartungsfreundliche Elektronenkanone mit einfachem Aufbau konstruieren, die auch beim Verdampfen großer Materialmengen von vorzugsweise mehr als 50 g/h, besonders bevorzugt mehr als 100 g/h eine lange Standzeit im Dauerbetrieb von mindesten 50, bevorzugt mindestens 100 Stunden aufweist. Zudem wird durch aktive Kühlung der Elektronenkanone sowohl im Emitterbereich als auch in der Strahlführungseinrichtung, eine hohe mechanische Maßhaltigkeit und Eigensicherheit der Elektronenkanone erreicht.
Figurenliste
Gewisse Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben. Diese Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Elektronenkanone in Pierce-Konfiguration,
2 eine technische Darstellung einer aktiv gekühlten axialen Elektronenkanone nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt,
3a eine schematische Darstellung einer Emitteranordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ebenfalls im Längsschnitt im Vergleich zu 2 um 90° gedreht,
3b eine weitere schematische Darstellung einer Emitteranordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ebenfalls im Längsschnitt in einer Schnittebene, die im Vergleich zur 3 um 90° gedreht ist,
4 eine Draufsicht auf ein Wolframfilament, dass in einer Emitteranordnung und Elektronenkanone nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

4. Detaillierte Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden einige exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung am Beispiel einer wassergekühlten axialen Elektronenkanone im Detail beschrieben. Hierbei werden verschiedenen Merkmalskombinationen mit Bezugnahme auf einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Naturgemäß müssen nicht alle Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen vorhanden sein, um die vorliegende Erfindung zu realisieren. Ferner könne die Ausführungsformen durch Kombinieren gewisser Merkmale einer Ausführungsform mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausführungsform modifiziert werden - falls dies technisch kompatibel und sinnvoll ist - ohne von der Offenbarung und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der durch die Patentansprüche definiert ist.
Eine Elektronenkanone gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 im Längsschnitt dargestellt. Die Elektronenkanone 10 mit axialer Strahlführung weißt einem aktiv gekühlten Quellenteil bzw. Emitteranordnung 11 auf. Die Emitteranordnung 11 umfasst einen Kathodenblock 20, der eine Emitterbaugruppe umfasst, die in der gezeigten Ausführungsform als Pierce-Emitter ausgebildet ist. Ferner weist die Emitteranordnung einem Anodenring 15. Davor ist ein gekühltes Strahlrohr angeordneten, auf dem Magnetspulen 18 zur Führung, Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahls aufgesteckt sind.
Die Wandung der Emitteranordnung 11 und der Kathodenblock 20 sind durch gute Wärmeankopplung an eine wassergekühlte Montageplatte / Kühlkörper 21 aktiv gekühlt, wobei der Kühlkörper durch Kühlkanäle 16 aktiv gekühlt ist. Die elektrische Hochspannungsisolierung bei gleichzeitig hoher Wärmeleitung erfolgt durch einen sehr gut wärmeleitfähigen Isolator, der eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/m · K, und einen elektrischen Widerstand von zumindest 10⁹ Ω · cm aufweist. Insbesondere kann der Isolator aus Kohlenstoff (z.B. Diamant) oder den Elementen seiner Nachbarhauptgruppen, also III-V-Verbindungen mit einer sehr großen Bandlücke von zumindest 4 eV bevorzugt von 5 eV oder mehr gefertigt sein. Da der Isolator mechanisch bearbeitet werden muss, z.B. um Gewinde hineinzuschneiden, kommen bevorzugt Aluminiumnitrid (Al₂N₃), Bornitrid (BN) oder eine mechanisch gut bearbeitbare Mischung aus beiden mit dem Handelsnamen Shapal zum Einsatz. Diese Substanzen können aber auch als wärmeleitfähige Füller in einen elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet vorliegen, da das Bauteil an dieser Stelle wegen der Kühlung des Kühlkörpers kalt bleibt.
Auch das Strahlrohr kann Kühlwasserkanäle 16 umfassen, die durch Ein- und Auslassstutzen 17 mit Kühlwasser versorgt werden. Die Beschleunigungsanode 15 ist als Ring ausgeführt und wird von der Emitteranordnung gegen das gekühlte Gehäuse des Strahlrohrs gepresst, so dass auch der Anodenring gut gekühlt ist.
Durch eine kleine Apertur von 5 bis maximal 8 mm Durchmesser erlaubt die Anode ein differenzielles Pumpen der Emitteranordnung über einen Pumpstutzen 13. Auf diesen kann wahlweise eine kleine Turbomolekularpumpe mit bevorzugt 80 1/s Pumpleistung aufgesetzt werden, oder ein Bypass zur Beschichtungskammer (nicht dargestellt) geführt werden, um die Emitteranordnung schneller zu evakuieren.
Die elektrische Verbindung zwischen Kathode und der Hochspannungs- sowie der Filamentstromversorgung erfolgt über eine Steckverbindung 14 mit einem sicher ummantelten, hochspannungsisolierten und von außen aufsteckbarem Kontaktstecker.
Die Innenwand des fest mit der Beschichtungskammer verbauten Strahlrohrs kann durch ein Auskleidungsrohr 19 mit guter Wärmeleitfähigkeit vor Verschmutzung geschützt werden. Die Auskleidung kann von vorne lose in das Strahlrohr geschoben werden. Im Betrieb dehnt sich die Auskleidung aus und legt sich formschlüssig an die gekühlte Wandung des Strahlrohrs an. Sie ist dadurch ebenfalls sehr gut gekühlt und kann auch im Falle einer Fehlfunktion, wie dem Ausfall einer Magnetspule 18, die Energie des Elektronenstrahls sicher ins Kühlwasser abführen. Die dargestellte Elektronenkanone ist daher bauartbedingt eigensicher.
3a und 3b zeigen zwei um 90° axial gedrehte schematische Längsschnitte durch den gekühlten Kathodenblock 20 mit einer Emitterbaugruppe 23 - 28. Die Emitterbaugruppe sitzt auf einer wassergekühlten Montageplatte / Kühlkörper 21. Die Kühlleitungen sind hier nicht gezeigt.
Diese ist mit vier Schrauben von hinten mit einem Vakuumdichtring an die Emitterkammer fixiert und kann durch Öffnen dieser Schrauben einfach abgezogen werden. Verschraubt auf der Montageplatte 21 befindet sich mit flächiger Auflage und geringem Wärmeübergangswiderstand ein Block aus hoch wärmeleitfähiger Keramik. Vorzugsweise kommt hier mechanisch gut bearbeitbares Al₂N₃-BN, Handelsname „Shapal“, zum Einsatz.
Shapal ist porenfrei, nicht ausgasend und vakuumverträglich, besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 90 W/m·K und zeichnet sich durch eine hohe mechanische Festigkeit und geringe Wärmeausdehnung aus. Zudem ist es ein ausgezeichneter elektrischer Isolator >10¹² Ω cm, mit hoher Durchschlagsfestigkeit von 65 kV/mm und stellt die elektrische Isolierung zwischen der Hochspannung der Emitterbaugruppe 23 - 28 und der geerdeten Montageplatte 21 dar.
Auf dem Isolator 22 sind als unterer Teil der Emitteranordnung zwei Halbzylinder 23a, 23b aus Kupfer verschraubt. Sie sind getrennt durch einen ca. 1 mm breiten Spalt und zwei eingelassene, elektrische Isolatoren 26. Diese sind aus handelsüblicher und damit kostengünstiger Industriekeramik, wie z.B. Al₂O₃ gefertigt. In die beiden gegeneinander elektrisch isolierten Halbzylinder mündet der Stecker der Hochspannungsquelle und der Filamentstromversorgung.
Auf diesen Halbzylindern sitzt der obere Teil der Emitterbaugruppe 23 - 28, der einen sog. Pierce-Schild ausbildet. Dieser Teil umfasst ebenfalls zwei Hälften 24a, 24b die einen zentralen Spalt aufweisen und durch eingelassene Keramikpillen 26 gegeneinander isoliert sind. Der Pierce-Schild ist zum Zentrum hin konkav geformt und besitzt zudem eine zentrale Durchgangsbohrung, in die positiv geladenen Ionen aus dem Kathodenraum geleitet werden. Diese prallen schließlich auf eine Keramikpille 27 und werden dort gestoppt. Auch diese kann aus handelsüblicher Keramik, wie z.B. Al₂O₃ gefertigt sein und besitzt dieselben Dimensionen wie die Isolatoren 26. Dieser Ionensumpf dient dem Einfang der Ionen und verlängert die Standzeit der Emitteranordnung. Durch einfaches Drehen des Keramikzylinders kann so die gesamte Außenfläche als Ionenfänger verwendet werden.
Angeordnet in der konkaven Wölbung des Pierce-Schildes befindet sich als eigentlicher Elektronenemitter ein beheiztes Wolframfilament 25 mit einem Durchmesser von 10 - 20 mm, bevorzugt 10 - 16 mm. Dieses ist als flache Spirale ausgeführt, so dass die Elektronen aus einer flächigen Anordnung emittiert werden, und in 4 gezeigt.
Die Spirale ist bifilar so ausgeführt, dass sich im Zentrum kein Wolframsteg befindet, der durch Ionenbeschuss zerstört werden kann. Dadurch treten die entgegen der Strahlrichtung beschleunigten Ionen ungehindert durch die Filamentebene hindurch in den darunter liegende Ionensumpf ein, wo sie gestoppt werden.
Zur Montage des Filaments 25 befinden sich in jeder der beiden Hälften des Pierce-Schildes jeweils eine Bohrung für die Beine des Filaments und senkrecht dazu Klemmvorrichtungen 28a, 28b zur Fixierung.
Die einzelnen Elemente des Kathodenblocks 21, 22, 23, 24 besitzen glatte Stirnflächen und sind fest miteinander verschraubt, so dass ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Da die Bauteile aktiv gekühlt sind, kann zwischen den Stirnflächen sogar Wärmeleitpaste oder Vakuumfett zur Verbesserung des flächigen Wärmekontakts eingesetzt werden.
In den Darstellungen der 3a, 3b sind die Verschraubungen der Kathodenblockkomponenten zur besseren Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt. Alle Teile des Kathodenblocks sind selbstjustierend gefertigt und bleiben im Betrieb kalt. Trotz der Filamentheizleistung von ca. 200 W bleibt die Temperatur des Pierce-Schildes 24 unterhalb von 150°C. Die übrigen Teile des Kathodenblocks 22, 23 bleiben durch die Kühlung unterhalb von 120°C, bevorzugt unter 100°C. Dadurch bleiben sie formstabil, verzundern nicht und alle Schrauben lassen sich zur Wartung und zum Filamentwechsel problemlos öffnen.
Vor dem Emitter befindet sich als Eintrittsöffnung zum Strahlrohr der Anodenring 15. Der Durchmesser der zentralen Apertur beträgt ca. 50% des Filamentdurchmessers und liegt bevorzugt im Bereich von 5-8 mm. Der Anodenring wird in eine Nut eingelegt und beim Zusammenbau Emitteranordnung mit der Strahlführungseinrichtung 12 fest an die gekühlte Wandung des Strahlrohrs gepresst.
Durch die Sputterwirkung von Ionen und das langsame Abdampfen von W₂O₃ vom Wolframemitter scheiden sich auf dem Anodenring und umliegenden Wänden mit der Zeit Rückstände ab. Deshalb kann der Anodenring leicht ausgebaut und gereinigt werden.
Bezugszeichenliste

10: Axiale Elektronenkanone
11: Gekühlter Quellenteil / Emitteranordnung der Elektronenkanone
12: Gekühlte Strahlführungseinrichtung der Elektronenkanone mit Strahlrohr und aufgesteckten Magnetspulen
13: Flansch für Vakuumpumpe (Pumpstutzen)
14: Stecker für Hochspannung- und Filamentstromversorgung
15: Anodenring
16: Wasserdurchströmte Kühlkanäle
17: Kühlwasseranschluss
18: Magnetspulen zur Strahlführung
19: Auskleidungsrohr (Cu)
20: Kathodenblock
21: Wassergekühlte Montageplatte / Kühlkörper mit Kühlkanälen
22: Shapal Isolator
23, 23a, 23b: Sockelteil(e) des Kathodenblocks mit Stromzuführungen (nicht gezeigt)
24, 24a, 24b: Pierceschild des Kathodenblocks
25: Wolframfilament (flache Spirale)
26: Keramikscheibe als Abstandhalter
27: Keramikscheibe als Ionensumpf
28a, 28b: Klemmmechanismus für das Filament

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2442032 A1 [0003]
EP 1204507 [0003]
EP 1830382 [0003]
DE 19537229 [0005]
EP 323898 B1 [0005]
DE 102016120416 [0005]
DD 287856 [0005]
DD 132380 A1 [0005]
EP 2077574 B1 [0005, 0009]
DE 4428508 [0010]
DE 19730855 [0011]
JP 2005268177 [0011]

Claims

Emitteranordnung (11) für eine Elektronenkanone (10), umfassend: einen aktiv gekühlten Kathodenblock (20), und eine Beschleunigeranode (15), bevorzugt ringförmig; wobei der Kathodenblock (20) umfasst: einen Kühlkörper (21); eine Emitterbaugruppe (23 - 28); und einen Isolator (22), der wärmeleitend zwischen dem Kühlkörper (21) und der Emitterbaugruppe (23 - 28) angeordnet ist, wobei der Isolator (22) eine Wärmeleitfähigkeit λgrößer oder gleich 20 W / (m · K), bevorzugt größer oder gleich 50 W / (m · K) und mehr bevorzugt größer oder gleich 90 W / (m · K) aufweist.
Emitteranordnung (11) nach Anspruch 1, wobei der Isolator (22), aus einer hoch wärmeleitfähigen Keramik oder einem Kunststoff mit hoch wärmeleitfähigem keramischen Füllmaterial gefertigt ist, wobei das Keramikmaterial bevorzugt eine Verbindung von Elementen der III und V Hauptgruppe, mehr bevorzugt Al₂N₃ und / oder BN aufweist.
Emitteranordnung (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolator (22) einen spezifischen Widerstand ρ größer oder gleich 10⁹ Ω · cm, bevorzugt größer oder gleich 10¹⁰ Ω · cm, mehr bevorzugt größer oder gleich 10¹¹ Ω · cm, und am meisten bevorzugt größer oder gleich 10¹² Ω · cm aufweist; wobei der Isolator (22) eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von größer oder gleich 40 kV/mm bevorzugt von größer oder gleich 50 kV / mm und mehr bevorzugt von größer oder gleich 65 kV / mm aufweist.
Emitteranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emitteranordnung (11) im Betrieb einen Elektronenstrahl mit einer Leistung von 0,5 kW - 36 kW, bevorzugt mit einer Leistung von 1 - 15 kW erzeugt; und / oder wobei die Emitteranordnung (11) im Betrieb einen Elektronenstrahl mit einem effektiven Strahlstrom von 100 mA - 1200 mA bei einer Beschleunigungsspannung von 5-30 kV, bevorzugt von 6 - 12 kV erzeugt.
Emitteranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur der Emitterbaugruppe (23 - 28), gemessen am äußeren Rand der Oberfläche der Emitterbaugruppe (23 - 28), die der Beschleunigeranode (15) zugewandt ist, nicht größer als 200°C bevorzugt nicht größer als 175°C und mehr bevorzugt nicht größer als 150°C ist und / oder wobei die Beschleunigeranode (15) aktiv gekühlt ist, so dass im Betrieb der Emitteranordnung (11) die Temperatur der Beschleunigeranode (15), gemessen am äußeren Rand der Beschleunigeranode (15), nicht größer als 200°C bevorzugt nicht größer als 175°C und mehr bevorzugt nicht größer als 150°C ist.
Emitteranordnung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kühlkörper (21) zumindest einen Kühlkanal (16) aufweist, der von einem Kühlmedium, bevorzugt Wasser, durchströmt werden kann; und / oder wobei der Kühlkörper (21) aus einem Material gefertigt ist, bevorzugt Kupfer oder Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit λgrößer oder gleich 200 W / (m · K) aufweist.
Emitteranordnung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Emitterbaugruppe (23 - 28) zwei voneinander elektrisch isolierte Untereinheiten (23a, 24a); (23b, 24b) aufweist, deren dem Anodenring (15) zugewandten Oberflächen eine zumindest teilweise konkave Vertiefung ausbilden, in die eine Heizwendel (25), bevorzugt ein Wolframfilament eingesetzt ist.
Emitteranordnung (11) nach dem vorherigen Anspruch 7, wobei das Zentrum der Heizwendel (25) ausgespart ist; und / oder wobei die Heizwendel (25) als flache Spirale ausgeführt ist, so dass die Elektronen aus einer flächigen Anordnung emittiert werden; und / oder wobei die Heizwendel eine Heizleistung von größer oder gleich 150W bevorzugt größer oder gleich 200 W aufweist.
Emitteranordnung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Kathodenblock (20) ein zentraler Kanal angeordnete ist, der in einen Ionensumpf führt, in dem positive Ionen in einem auswechselbaren Ionenabsorber (27), bevorzugt einer drehbaren Keramikpille, gestoppt werden, die als Opfermaterial dient.
Emitteranordnung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschleunigeranode (15) eine Apertur mit einem mittleren Durchmesser von 5 mm bis 8 mm aufweist; und / oder wobei die Emitteranordnung (11) einen Anschluss für eine Vakuumpumpe oder einen Bypass aufweist; und / oder wobei in der Emitteranordnung (11) ein Hintergrundgasdruck von höchstens 5 · 10^-5 mbar vorherrscht.
Aktiv gekühlte Strahlführungseinrichtung (12) für eine Elektronenkanone (10), aufweisend: ein Strahlrohr, das zumindest einen Kühlkanal (16) aufweist, der von einem Kühlmedium, bevorzugt Wasser, durchströmt werden kann; und zumindest eine elektronenoptische Komponente (18) zur Strahlführung, bevorzugt zumindest eine Magnetspule.
Aktiv gekühlte Strahlführungseinrichtung (12) nach Anspruch 11, wobei an der Innenwand des Strahlrohrs eine herausnehmbare Auskleidung (19) angeordnet ist, die eine Wärmeleitfähigkeit λ größer oder gleich 50 W / (m · K), bevorzugt größer oder gleich 300 W / (m · K) aufweist und die sich bei Erwärmung ausdehnt, um sich im Wesentlichen formschlüssig an die aktiv gekühlte Innenwand des Strahlrohrs anzulegen.
Axiale Elektronenkanone (10) zum Verdampfen eines Beschichtungsmaterials in einer Vakuumumgebung, umfassend eine Emitteranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-9; und eine aktiv gekühlte Strahlführungseinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12.
Axiale Elektronenkanone (10) nach Anspruch 13, wobei sich die Beschleunigeranode (15) der Emitteranordnung (11) in thermischen Kontakt mit der Strahlführungseinrichtung (12) befindet und von dieser zumindest teilweise aktiv gekühlt wird.
Axiale Elektronenkanone nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Leistungsdichte des Elektronenstrahls auf dem zu verdampfenden Material in einem Bereich von 1-30 kW / cm², bevorzugt in einem Bereich von 10 - 20 kW / cm² liegt.