DE1156522B - Electron lens assembly for electron beam melting or evaporation systems - Google Patents
Electron lens assembly for electron beam melting or evaporation systemsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenlinsenanordnung für Elektronenstrahlschmelz- oder -Verdampfungsanlagen.The invention relates to an electron lens assembly for electron beam melting or -Evaporation systems.
Es sind Elektronenstrahlschmelz- und -verdampfungsanlagen bekannt, bei denen permanentmagnetische oder elektromagnetische Linsen zur Fokussierung des durch sie hindurchtretenden Elektronenstrahlbündels auf das zu schmelzende oder zu verdampfende Gut verwendet werden. Diese Linsen sind in der Nähe der Elektronenstrahlquelle, der Kathode, angeordnet, beispielsweise in der das Elektronenstrahlbündel erzeugenden Elektronenstrahlkanone. Die Elektronenstrahlkanonen sind in größerer Entfernung von dem Schmelz- oder Verdampfungsgut angeordnet, so daß das in der Elektronenstrahlkanone fokussierte Elektronenstrahlbündel nach dem Austritt aus der Elektronenstrahlkanone eine größere freie Wegstrecke durchläuft, bis es auf das Gut auftrifft. Auf dieser Wegstrecke wird das Elektronenstrahlbündel nicht mehr durch elektronenoptische Mittel beeinflußt. Zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte im Schmelztiegel oder Verdampferschiffchen ist ein Elektronenstrahlbündel sehr hoher Stromdichte erforderlich, da man aus Isolationsgründen und aus Gründen der leichteren Röntgenstrahlabschirmung hohe Spannungen möglichst vermeidet. Solche Bündel hoher Perveanz haben aber den Nachteil, daß infolge der gegenseitigen Abstoßung gleicher elektrischer Ladungsträger das Bündel aufspreizt. Die gewünschte hohe Leistungsdichte am Gut kann daher nicht voll erzielt werden, so daß bei hochschmelzenden Materialien Schwierigkeiten bezüglich des Schmelzens oder Verdampfens entstehen können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß ein Teil der Elektronen des gebündelten Strahls auf den Rand des Schmelztiegels oder des Verdampferschiffchens trifft, der dadurch beschädigt wird. Dies ist in solchen Fällen besonders schwerwiegend, bei denen dieser Rand zur Halterung des Tiegels oder Schiffchens benutzt wird. Bei Elektronenstrahlverdampfunigsanlagen tritt noch ein anderer Nachteil in Erscheinung. Solche Anlagen werden bekanntlich dazu benutzt, um extrem reine Aufdampfschichtea zu erzeugen. Beim Auftreffen von Elektronen auf den Rand des vielfach aus Metall bestehenden Verdampferschiffchens wird auch Tiegelmaterial verdampft, wodurch dann die Aufdampfschichten verunreinigt werden.There are electron beam melting and evaporation systems known in which permanent magnetic or electromagnetic lenses for focusing the electron beam passing through them can be used on the material to be melted or evaporated. These lenses are arranged in the vicinity of the electron beam source, the cathode, for example in which the electron beam generating electron beam gun. The electron beam guns are in larger sizes Distance from the melting or evaporation material arranged so that that in the electron beam gun focused electron beam after exiting the electron beam gun a larger free one Traverses the distance until it hits the good. The electron beam is on this path no longer influenced by electron optical means. To achieve a high power density In the crucible or evaporation boat there is an electron beam with a very high current density required, because for reasons of isolation and for reasons of easier X-ray shielding Avoid high voltages as much as possible. Such bundles of high perveance have the disadvantage that as a result the mutual repulsion of the same electrical charge carriers spreads the bundle. the The desired high power density on the material can therefore not be fully achieved, so that with high-melting points Materials Difficulty melting or evaporation can arise. Another disadvantage is that some of the electrons in the collimated beam hit the edge of the The crucible or the evaporation boat, which will be damaged. This is in such Particularly serious cases where this edge is used to hold the crucible or boat is used. Another disadvantage occurs in electron beam evaporation systems. Such systems are known to be used to produce extremely pure vapor deposition layers. When electrons hit the edge of the evaporation boat, which is often made of metal crucible material is also evaporated, which then contaminates the vapor deposition layers will.
Bei Elektronenstrahlschmelzöfen ist es bekannt, zur Fokussierung des Elektronenstrahlbündels auf das im Schmelztiegel befindliche Gut um den· Schmelztiegel, koaxial zur Schmelztiegelachse, eine ElektronenlinsenanordnungIn electron beam melting furnaces, it is known to focus the electron beam on the material in the crucible around the crucible, coaxial to the crucible axis, a Electron lens assembly
für Elektronenstrahlschrnelz-for electron beam welding
oder -Verdampfungsanlagenor evaporation systems
Anmelder:Applicant:
W. C. Heraeus G.m.b.H.,
Hanau/M., Heraeusstr. 12-14WC Heraeus GmbH,
Hanau / M., Heraeusstr. 12-14
Dipl.-Phys. Dr. Walter Dietrich, Hanau/M.,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Dr. Walter Dietrich, Hanau / M.,
has been named as the inventor
Magnetspule anzuordnen. Der Anwendungsbereich einer solchen Anordnung ist sehr beschränkt, da bei jedem Wechsel des Schmelztiegels, sei es in der Form, der Größe oder im Querschnitt, die Magnetspule der veränderten Schmelztiegelform oder dem veränderten Querschnitt angepaßt werden muß. Dies hat aber zur Folge, daß praktisch für jede Schmelztiegelform und jeden Schmelztiegelquerschnitt eine speziell angepaßte Magnetspule notwendig ist. Um ein genügend starkes Magnetfeld mittels einer Magnetspule zu erzeugen, ist eine hohe Amperewindungszahl erforderlich. Diese kann aber nur in einem ziemlich großen Raum untergebracht werden. Deshalb ist die Verwendung einer Magnetspule, die den Elektronenstrahl umschließt, zur Fokussierung eines Elektronenstrahlbündels für Verdampfungsanlagen weniger geeignet, da hierbei kleine Verdampferschiffchen benutzt werden und die hohe Amperewindungszahl nur mit erheblichen technischen Schwierigkeiten um das Schiffchen herum untergebracht werden kann. Der technische Aufwand würde dabei so umfangreich, daß er nicht mehr in einer vernünftigen Relation zur eventuell damit zu erzielenden Wirkung steht. Erst recht gelten für Verdampferschiffchen die bei Veränderung der Schmelztiegelform, des Schmelztiegelquerschnitts und der Schmelztiegelgröße oben angeführten Nachteile, da Verdampferschiffchen noch häufiger in Form, Größe und Querschnitt gewechselt werden als Schmelztiegel.Arrange solenoid. The field of application of such an arrangement is very limited, as at every change of the crucible, be it in shape, size or cross-section, the magnet coil of the changed crucible shape or the changed cross-section must be adapted. But this has to As a result, a specially adapted one for practically every crucible shape and crucible cross-section Solenoid is necessary. In order to generate a sufficiently strong magnetic field by means of a magnetic coil, a high number of ampere-turns is required. But this can only be done in a rather large one Space. That is why the use of a magnetic coil that carries the electron beam encloses, less suitable for focusing an electron beam for evaporation systems, because small evaporation boats are used here and the high number of ampere turns only with considerable technical difficulties can be accommodated around the shuttle. Of the The technical effort would be so extensive that it would no longer be in a reasonable relation to the possibly the effect to be achieved with it. The same applies to evaporation boats when there is a change the crucible shape, the crucible cross section and the crucible size mentioned above Disadvantages, as evaporation boats change shape, size and cross-section more frequently are used as a melting pot.
Es wurde nun in überraschender Weise eine Lösung gefunden, um im Schmelztiegel von Elektronenstrahlschmelzanlagen oder im Verdampferschiffchen von Elektronenstrahlverdampfungsanlagen eine hohe Leistungdichte zu erzielen. Dies wird beiA solution has now been found, in a surprising manner, in the crucible of electron beam melting plants or to achieve a high power density in the evaporation boat of electron beam evaporation systems. This will be the case
309 730/250309 730/250
einer Elektronenlinsenanordnung für Elektronenstrahlschmelz- oder -verdampfungs anlagen, bestehend aus einer magnetischen Linse, die ein auf das zu schmelzende oder zu verdampfende Gut gerichtetes Elektronenstrahlbündel fokussiert, dadurch erreicht, daß eine magnetische Jochlinse in unmittelbarer Nähe eines Schmelztiegels oder Verdampferschiffchens angeordnet ist, so daß sich der Rand des Schmelztiegels oder Verdampferschiffchens entweder dicht unterhalban electron lens assembly for electron beam melting or evaporation systems, consisting from a magnetic lens that directs a material to be melted or evaporated Focused electron beam, achieved by having a magnetic yoke lens in close proximity a crucible or evaporator boat is arranged so that the edge of the crucible or evaporator boat either just below
Elektronenstrahlbündel mit kreisförmigem Querschnitt durch geeignete Ausbildung der Polschuhe der Jochlinse in ein Elektronenstrahlbündel mit länglichem, etwa elliptischem Querschnitt verändert 5 werden. Die flache Ausbildung der Magnetpole der Jochlinse ist bei Verdampfungsanlagen auch noch deshalb von Vorteil, weil hierdurch eine gute Nachfokussierung des Elektronenstrahlbündels erzielt wird, ohne daß die Fokussiereinrichtung eine uner-Electron beam with a circular cross-section through suitable design of the pole pieces the yoke lens changed into an electron beam with an elongated, approximately elliptical cross-section 5 become. The flat design of the magnetic poles of the yoke lens is also used in evaporation systems therefore an advantage, because this achieves good refocusing of the electron beam, without the focusing device causing an un-
linsenanordnung gemäß Fig. 1;lens arrangement according to FIG. 1;
Fig. 2 zeigt eine Anordnung einer elektromagnetischen Jochlinse mit zwei Erregerspulen;2 shows an arrangement of an electromagnetic yoke lens with two excitation coils;
Fig. 3 zeigt eine Anordnung einer permanentmagnetischen Jochlinse.Fig. 3 shows an arrangement of a permanent magnetic yoke lens.
In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein Verdampferschiffchen bezeichnet, in dem das zu verdampfende Gut 2 sich befindet. Die Aufheizung des Gutes 2 wirdIn Fig. 1, the reference number 1 denotes an evaporation boat, in which the to be evaporated Well 2 is located. The heating of the good 2 is
oder dicht oberhalb der Magnetpole der Jochlinse io wünschte Schattenwirkung hervorruft, oder zwischen den Magnetpolen der Jochlinse befin- In den Figuren sind Ausfuhrungsbeispiele der erdet und die Linsenwirkung des Magnetfeldes der findungsgemäßen Elektronenlinsenanordnung sche-Jochlinse stets oberhalb des Schmelzespiegels statt- matisch dargestellt.or just above the magnetic poles of the yoke lens creates the desired shadow effect, or between the magnetic poles of the yoke lens, exemplary embodiments of the are grounded in the figures and the lens effect of the magnetic field of the electron lens arrangement according to the invention cal yoke lens always shown instead of above the enamel level.
findet. Die Jochlinse kann als permanentmagnetische Fig. 1 zeigt eine Anordnung einer elektromagne-Linse,
vorzugsweise mit einer Justierung durch einen 15 tischen Jochlinse mit einer Erregerspule;
magnetischen Nebenschluß, ausgebildet sein oder als Fig. 1 a zeigt eine Aufsicht auf die Elektronenelektromagnetische Linse mit einer oder mehreren
Erregerspulen. Unter einer elektromagnetischen Jochlinse versteht man solche Linsen, die aus einer Erregerspule
und einem Magnetjoch mit Magnetpolen 20
bestehen, bei denen aber im Gegensatz zu anderen
bekannten elektromagnetischen Linsen die Erregerspule das Elektronenstrahlbündel nicht umschließt.
An das Joch der Linse können Polschuhe fest oderfinds. The yoke lens can be used as a permanent magnet; magnetic shunt, or as Fig. 1 a shows a plan view of the electron electromagnetic lens with one or more
Excitation coils. An electromagnetic yoke lens is understood to be those lenses that consist of an excitation coil and a magnetic yoke with magnetic poles 20
exist, but in contrast to others
known electromagnetic lenses, the excitation coil does not enclose the electron beam.
Pole shoes can be fixed to the yoke of the lens or
auswechselbar angesetzt sein. Wenn nicht rotations- 25 durch Elektronen des auf das Gut gerichteten Eleksymmetrische Polschuhformen benutzt werden, kann tronenstrahlbündels 3 bewirkt. Von dem Elektronendadurch eine gewünschte Veränderung des Quer- Strahlbündel 3 ist nur die äußere Begrenzung gezeichschnitts des Elektronenstrahlbündels erzielt werden. net. Das Verdampferschiffchen ist, wie von Verdamp-In bevorzugter Ausführung wird die Jochlinse gleich- fungsanlagen her bekannt, in einem evakuierten Bezeitig zur Halterung des Schmelztiegels oder des Ver- 30 halter angeordnet, in dem sich auch der zu bedampdampferschufchens benutzt. Auch ist die Kühlung fende Körper befindet. Auf die Darstellung der bekannder Jochlinse, falls erforderlich, leicht auszuführen. ten Anordnung von Verdampfungsanlagen wurde aus Die Vorteile der erfindungsgemäßen Linsenanordnung Gründen der Übersicht verzichtet. Oberhalb des bestehen unter anderem darin, daß die Magnetpole Randes des Verdampferschiffchens 1, und zwar in der Jochlinse sehr flach ausgebildet werden können 35 seiner unmittelbaren Nähe, befinden sich die Magnet- und die Erregerspule bzw. Erregerspulen weitab vom pole JV, S der Jochlinse. Die Jochlinse besteht hier Schmelztiegel oder Verdampferschiffchen innerhalb aus einer weitab vom Verdampferschiffchen langeord- oder außerhalb des Vakuumbehälters, der den neten Erregerspule 4, die von einer Stromquelle 5 mit Schmelzraum oder Verdampfungsraum bildet, ange- Strom versorgt wird, dem Joch 6, an das die flach ordnet werden können. In unmittelbarer Nähe des 4° ausgebildeten Polschuhe 7, 8 angesetzt sind. Die Er-Schmelztiegels oder Verdampferschiffchens befinden regerspule 4 kann innerhalb oder außerhalb des nicht sich also nur die flach ausgebildeten Magnetpole der dargestellten Vakuumbehälters angeordnet sein. Das Linse und nicht — wie bei bekannten Anordnun- auf das Verdampferschiffchen 1 gerichtete Elekgen — aufwendige Spulen. Bei einem Wechsel des tronenstrahilbündel 3 wird durch das zwischen den Schmelztiegels oder Verdampferschiffchens, sei es in 45 Magnetpolen JV, 5 erzeugte Magnetfeld nochmals der Form, der Größe oder im Querschnitt, kann die nachfokussiert (»angespitzt«). Die Nachfokussierung Jochlinse sehr leicht den veränderten Bedingungen des Elektronenstrahlbündels 3 kann selbstverständdadurch angepaßt werden, daß man lediglich die an lieh variiert werden dadurch, daß man die Stärke des das Joch der Linse angesetzten Polschuhe durch elektrischen Stromes, mit der die Erregerspule 4 ge-Auswechseln den veränderten Bedingungen anpaßt. 50 speist wird, verändert.be interchangeable. If rotationally symmetrical pole shoe shapes are not used by electrons of the electron beam directed at the material, electron beam 3 can be produced. Of the electrons, a desired change in the transverse beam 3 can only be achieved through the outer boundary of the electron beam. net. The evaporation boat is, as is known from evaporation in a preferred embodiment, the yoke lens equalization systems, arranged in an evacuated space for holding the melting crucible or the holder, in which the little steam channel to be evaporated is also used. Also the cooling fende body is located. Easy to execute on the representation of the known yoke lens, if necessary. The arrangement of evaporation systems was omitted for the sake of clarity. Above that consist, among other things, that the magnetic poles edge of the evaporator boat 1, and indeed in the yoke lens can be made very flat 35 its immediate vicinity, the magnet and the excitation coil or excitation coils are far away from the pole JV, S of the yoke lens. The yoke lens here consists of a crucible or evaporation boat inside from a long north-north or outside of the vacuum vessel, which is supplied to the Neten excitation coil 4, which is formed by a power source 5 with a melting space or evaporation space, the yoke 6, to which the can be arranged flat. In the immediate vicinity of the 4 ° trained pole shoes 7, 8 are attached. The Er crucible or evaporation boat are located regspule 4 can be arranged inside or outside of the not just the flat magnetic poles of the vacuum container shown. The lens and not - as in known arrangements - electrics directed at the evaporation boat 1 - expensive coils. When the tronenstrahilbündel 3 is changed, the shape, size or cross-section can be refocused ("sharpened") by the magnetic field generated between the crucible or evaporation boat, be it in 45 magnetic poles JV, 5. The refocusing yoke lens very easily the changed conditions of the electron beam 3 can of course be adapted in that one only varies the borrowed by changing the strength of the pole pieces attached to the yoke of the lens by means of an electric current with which the excitation coil 4 is exchanged adapts to changed conditions. 50 is fed, changed.
Die umfangreicheren Teile der Jochlinse, nämlich die Fig. 1 a stellt eine Aufsicht auf die Elektronen-Erregerspule oder Erregerspulen, sowie die züge- linsenanordnung gemäß Fig. 1 dar. Gleiche Teile sind hörigen Joche müssen also in solchen Fällen nicht dabei mit gleichen Bezugsziffern versehen, ausgewechselt werden. Sie verbleiben fest innerhalb In Fig. 2 ist eine ähnliche Elektronenlinsenanord- oder außerhalb des Vakuumbehälters montiert. Die 55 nung wie in Fig. 1 dargestellt. Sie unterscheidet sich Verwendung einer Jochlinse zur Nachfokussierung von der Linsenanordnung gemäß Fig. 1 darin, daß (»Anspitzen«) eines auf den Schmelztiegel oder Ver- der Rand des länglichen Verdampferschiffchens 1 dampferschiffchen gerichteten Elektronenstrahlbün- sich zwischen den flachen Magnetpolen JV, S der dels bringt noch einen anderen Vorteil mit sich. Jochlinse befindet, wobei die Magnetpole S gleich-DuTch besondere vorbestimmte Formgebung und 60 zeitig zur Halterung des Verdampferschiffchens beAusbildung der an das Joch der Linse angesetzten nutzt werden, und daß zur Erregung zwei Erreger-Polschuhe, beispielsweise durch nicht rotationssym- spulen 4, 4' vorgesehen sind. Dementsprechend bemetrische Ausbildung, kann der Querschnitt des sitzt diese Jochlinse zwei Joche 6, 6', an die die PoI-Elektronenstrahlbündels in gewünschter Weise ver- schuhe 7, T; 8, 8' angesetzt sind. Die Erregerspuändert werden. Dies besitzt besondere Bedeutung für 65 len 4, 4' sind mit zwei Stromquellen 5, 5' verbunden; Verdampfungsanlagen, bei denen meist länglich aus- es ist aber auch möglich, beide Erregerspulen 4, 4' gebildete Verdampferschiffchen benutzt werden. So nur mit einer einzigen Stromquelle zu verbinden. Die kann beispielsweise ein auf die Jochlinse gerichtetes Wirkung der Jochlinse ist die gleiche wie die inThe more extensive parts of the yoke lens, namely FIG. 1a, shows a plan view of the electron excitation coil or excitation coils, as well as the pulling lens arrangement according to FIG to be replaced. They remain firmly inside. In Fig. 2, a similar electron lens assembly is mounted or outside of the vacuum container. The voltage as shown in FIG. 1. Use of a yoke lens for refocusing differs from the lens arrangement according to FIG. 1 in that ("sharpening") an electron beam directed onto the crucible or edge of the elongated evaporation boat 1 is between the flat magnetic poles JV, S of the dels has another advantage. Yoke lens is located, whereby the magnetic poles S equal-DuTch special predetermined shape and 60 are used early to hold the evaporator boat to form the attached to the yoke of the lens, and that two exciter pole shoes for excitation, for example by non-rotationally symmetrical coils 4, 4 ' are provided. Corresponding to the metric design, the cross-section of this yoke lens can have two yokes 6, 6 ', to which the PoI electron beam is shoed in the desired manner 7, T; 8, 8 'are attached. The pathogen will be changed. This is of particular importance for 65 len 4, 4 'are connected to two current sources 5, 5'; Evaporation systems in which mostly elongated evaporation boats are used, but it is also possible to use both excitation coils 4, 4 '. So it can only be connected to a single power source. For example, the effect of the yoke lens directed onto the yoke lens is the same as that in FIG
Fig. 1 dargestellte, das Elektronenstrahlbündel 3 wird ebenfalls nachfokussiert (»angespitzt«). Der Vorteil der elektromagnetischen Jochlinse mit zwei Erregerspulen besteht in der größeren Variationsmöglichkeit hinsichtlich der Beeinflussung des Elektronenstrahlbiindels. Fig. 1 shown, the electron beam 3 is also refocused (»sharpened«). The advantage of the electromagnetic yoke lens with two excitation coils consists in the greater possibility of variation with regard to the influence of the electron beam bundle.
Fig. 3 zeigt eineFig. 3 shows a
ElektronenlinsenanordnungElectron lens assembly
mitwith
permanentmagnetischer Jochlinse. Der Rand des Verdampferschiffchens 1 befindet sich oberhalb der beiden Magnetpole N', S'. Zur Erzeugung eines Magnetl'eldes dienen in diesem Ausführungsbeispiel die beiden Permanentmagnete 9, 9'. An diese sind die Joche 6, 6' angesetzt, an die Joche 6, 6' die flachen Polschuhe 7, T; 8, 8'. Die beiden Permanentmagnete 9, 9' sind ebenfalls weitab vom Verdampferschiffchen 1 angeordnet. Sie können in bevorzugter Ausführung mittels der Vorrichtungen 10, 10' näher oder weiter an das Verdampferschiffchen verschoben werden. Bei dieser Elektronenlinsenanordnung kann auch noch eine Justierung durch Anbringen eines magnetischen Nebenschlusses erfolgen. Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die Erregung durch zwei Permanentmagnete geschieht, sondern es kann auch analog der in Fig. 1 dargestellten Elektronenlinsenanordnung ein einziger Permanentmagnet benutzt werden.permanent magnetic yoke lens. The edge of the evaporation boat 1 is located above the two magnetic poles N ', S'. In this exemplary embodiment, the two permanent magnets 9, 9 'are used to generate a magnetic field. The yokes 6, 6 'are attached to these, and the flat pole pieces 7, T; 8, 8 '. The two permanent magnets 9, 9 ′ are also arranged far away from the evaporation boat 1. In a preferred embodiment, they can be moved closer or further to the evaporation boat by means of the devices 10, 10 '. With this electron lens arrangement, an adjustment can also be made by attaching a magnetic shunt. It is not absolutely necessary for the excitation to be done by two permanent magnets, but a single permanent magnet can also be used in a manner analogous to the electron lens arrangement shown in FIG.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele beziehen sich zwar auf Verdampfungsanlagen, aber auch für Elektronenstrahlschmelzanlagen können diese Elektronenlinsenanordnungen in entsprechender Weise verwendet werden. An Stelle eines beispielsweise länglichen Verdampferschiffchens wird dann nur ein Schmelztiegel eingesetzt.The illustrated embodiments relate to evaporation systems, but also for Electron beam melters can use these electron lens assemblies used in a corresponding manner. Instead of an elongated evaporation boat, for example, there is only one Crucible used.
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Also Published As
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