DE1521175B2 - Vorrichtung zur verdampfung von werkstoffen im vakuum - Google Patents

Description

mieden werden können. Die Vorrichtung zur Verdampfung von Werkstoffen im Vakuum durch Elektronenbeschuß ist dadurch gekennzeichnet, daß die das Verdampfungsgut tragende der Verdampfung dienende Unterlage als Teil einer zwei Raumbereiche gegeneinander elektrisch abschirmenden Trennwand ausgebildet ist, wobei in dem einen Raumbereich die Einrichtung zur Erhitzung des genannten Teiles der Trennwand durch Elektronenbeschuß vorgesehen ist, während die dieser Einrichtung abgewandte Seite des genannten Teiles der abschirmenden Trennwand zur Aufnahme der zu verdampfenden Werkstoffe ausgebildet ist.

Die Anwendung der Erfindung, wonach also die Erhitzung mittels Elektronenstrahls von der Rückseite der dünn ausgebildeten Unterlage für den zu verdampfenden Werkstoff her erfolgt, hat, wie beim direkten Beschüß der abdampfenden Oberfläche des Werkstoffes den· Vorteil, daß im wesentlichen die Wärmeübertragung nur auf das -zu erhitzende und zu verdampfende Gut selbst erfolgen muß und die Wärmeableitung durch den Träger im Gegensatz zu allen bekannten anderen Erhitzungsverfahren sehr gering gehalten werden kann. Bei der bekannten Methode der Widerstandsbeheizung eines als Werkstoffträger dienenden Wolframbandes z.B. wird die Wärme auf der ganzen Fläche des Heizbandes durch Stromdurchgang gleichmäßig verteilt erzeugt, obwohl nur ein kleiner Teil dieser Fläche als eigentliche Unterlage, die in direktem Kontakt mit dem zu verdampfenden Werkstoff steht, für die Wärmeübertragung nützlich ist. Mindestens 80% der erzeugten Wärmeenergie geht auf diese Weise durch freie Abstrahlung und durch Wärmeableitung an die beiden Einspannelektroden verloren. Bei der Elektronenstrahlbeheizung dagegen läßt sich die Wärmeerzeugung auf jene Stelle der Unterlage beschränken, wo sie unmittelbar auf den zu verdampfenden Werkstoff übertragen wird. Da die nicht bedeckten Teile der Unterlage nicht dem Elektronenbeschuß ausgesetzt zu werden brauchen, können die Abstrahlungsverluste wesentlich geringer gehalten werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der anliegenden F i g. 1 dargestellt. Die Vorrichtung ist auf einem Flansch 1 aufgebaut, der an eine Öffnung in der Grundplatte einer Vakuumaufdampfanlage angeflanscht werden kann. 2 bezeichnet eine ringförmige Dichtungsnut mit einem elastischen Dichtungsring 3, 4 ein zylindrisches, elektrisch isolierendes Teil, z.B. aus Porzellan, 5einen das Teil4 umgebenden zylindrischen Metallmantel und 6 eine Glühkathode, die über vakuumdichte elektrisch isolierte Durchführungen 7 und 8 aus der Quelle 9 mit Heizstrom und mit einer negativen Beschleunigungsspannung für die Elektronen von einigen 100 bis zu einigen 1000 Volt versorgt wird. Auf dem Metallmantel 5, der in elektrisch leitender Verbindung mit dem Flansch 1 steht, liegt eine dünne Blechscheibe 10, aus einem hochtemperaturfesten Metall, die als Verdampfungsunterlage für den zu verdampfenden Werkstoff 12 dient und vorteilhafterweise mit einer Vertiefung 11 zur Aufnahme derselben versehen ist.

Beim Betrieb werden die aus der Kathode 6 austretenden Elektronen auf die Verdampfungsunterlage 10 zu beschleunigt und erhitzen diese entsprechend der übertragenen Leistung. Die Innenwandung des elektrisch isolierenden Teils 4 erhält dabei durch Streuelektronen eine negative Oberflächenladung, welche den Strahlstrom soweit bündelt, daß er im wesentlichen nur den der Verdampfung dienenden Teil des Bleches 10 trifft. Selbstverständlich können auch kompliziertere, bekannte elektronenoptische Elektrodenanordnungen verwendet werden, um einen auf die Verdampfungsstelle fokussierten Elektronenstrahl zu erzeugen.

Je dünner das als Verdampfungsunterlage dienende Blech 10 gewählt wird, desto besser bewahrt

ίο man die bekannten Vorteile der konventionellen Art der Elektronenstrahlbeheizung, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Als hochtemperaturfeste Baustoffe für den der Verdampfung dienenden Teil der elektrisch abschirmenden Trennwand können alle bekannten elektrisch leitenden hochtemperaturfesten Materialien verwendet werden, die eine hinreichende mechanische Festigkeit aufweisen. Es kommen also vor allem die hochtemperaturfesten Metalle in Frage, die sonst

so für die Verdampfung mit Widerstandsbeheizung verwendet werden, wie Wolfram oder Molybdänbleche, bzw. -folien, aber auch Nichtmetalle, z.B. Plättchen aus Kohle, Graphit und Karbiden usw. Auch elektrische Nichtleiter, z.B. Plättchen aus Oxiden können benutzt werden, wenn zum Elektronenbeschuß eine Elektronenkanone mit fokussiertem Strahl angewendet wird, welche z.B. in der Anordnung der Fig.2 an Stelle der einfachen Glühkathode 24 vorgesehen sein könnte. Die Hilfselektrode 26 kann dann entfallen und der Stromrückfluß von der Auftreffstelle der Elektronen auf der isolierenden Unterlage 25 erfolgt durch Streuung oder Glühemission von Elektronen, die von den benachbarten Teilen der Innenwandung der Abschirmung 20 aufgefangen werden.

Im Sinne des Patentanspruchs bildet der metallische Mantel 5 zusammen mit dem Blech 10 eine elektrisch abschirmende Trennwand zwischen einem Raumbereich A, in dem die Einrichtung zur Erhitzung des zur Verdampfung dienenden Teils der besagten Trennwand mittels Elektronenstrahls vorgesehen ist, während die der genannten Einrichtung abgewandte Seite dieser Trennwand, die an den Raumbereich B grenzt, in welchem die Verdampfung stattfindet, muldenförmig zur Aufnahme des zu verdampfenden Stoffes ausgebildet ist.

Die Raumbereiche .4 und B sind nicht nur elektrisch gegeneinander abgeschirmt sondern weitgehend auch magnetisch, weil der Rückfluß des von der Kathode 6 ausgehenden Elektronenstrahlstromes, gleichmäßig verteilt, radial über die Scheibe 10 und längs des Mantels 5 erfolgt; die magnetischen Wirkungen des Elektronenstromes und des Rückflußstromes heben sich auf diese Weise weitgehend auf; um auch die magnetische Wirkung der Kathodenwendel 6 auszuschalten, muß diese induktionsfrei aufgebaut, z. B. als Bifilarwendel ausgebildet sein.

. Um die magnetischen Wirkungen des Strahlstromes und des Kathodenheizstromes praktisch ganz auszuschalten, kann im Rahmen der Erfindung auch von den bekannten, magnetisch abschirmenden Materialien Gebrauch gemacht werden, indem ein zusätzlicher Mantel z.B. aus einem solchen Material vorgesehen wird, der den Raum/1 im wesentlichen umschließt, wobei nur eine Öffnung zum Austritt des erzeugten Dampfstromes freibleiben muß. Man kann auch den Flansch 1 und den Mantel 4 der F i g. 1 selbst aus magnetisch abschirmendem Material anfertigen, sofern — wegen deren geringeren elektri-

sehen Leitfähigkeit — der Rückflußstrom nicht zu groß ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt die F i g. 2. Gegenüber der F i g. 1 unterscheidet sie sich durch den anders geformten doppelwandigen Stromrückflußmantel 20, in dessen ringförmigem Hohlraum 21 über eine Leitung 22 ein Kühlmedium zu- und über eine andere Leitung 23 wieder abgeführt wird. Um die aus der Kathode 24 austretenden Elektronen auf die Verdampfungsunterlage 25 hin zu bündeln, ist die Elektrode 26 vorgesehen, die beim Betrieb auf gleichem oder höherem negativem Potential gehalten wird wie die elektronenemittierende Glühkathode. Der Spalt zwischen der Elektrode 26 und der benachbarten Wand des Stromrückflußmantels 20 ist so gering zu bemessen, daß in diesem Spalt keine elektrischen Gasentladungen auftreten können, was bekanntlich dann gewährleistet ist, wenn die theoretische mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem im Spalt befindlichen Gas wesentlich größer als die Spaltweite ist (Spaltweiten von 1 mm sind für die meisten Fälle passend).

Die Elektrode 26, z.B. aus Kupfer, kann so geformt werden, daß sie als Hohlspiegel für die von der Kathode ausgesandte Wärmestrahlung wirkt und diese auf die Kathode zurückfokussiert, was eine bessere Energieausnutzung bedeutet.

Die zwei bisher beschriebenen Beispiele haben den Vorteil, daß derjenige Teil der der elektrischen Abschirmung dienenden Trennwand, welcher der Verdampfung dient, sehr leicht und ohne große Kosten ausgewechselt werden kann. Weil die als Verdampfungsunterlagen dienenden Bleche dünn und außerdem deren Bearbeitungskosten niedrig sind — im Gegensatz zur Herstellung von Verdampfungsschiffchen, die aus den gleichen hochtemperaturfesten Metallen angefertigt werden müssen — arbeitet man nach der Erfindung auch aus diesem Grunde sehr wirtschaftlich.

Die Verdampfungsunterlage selbst kann verschiedene Formen aufweisen, z. B. kann sie zwecks möglichst geringer Wärmeableitung als engmaschiges Drahtnetz ausgebildet sein, wobei die Schmelze des zu verdampfenden Stoffes durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten wird.

Die F i g. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung eine Ausführungsform, bei der nur der zentrale, durch Stege 30 getragene Teil 31 als Verdampfungsfläche dient, und die ebenfalls den Vorteil besitzt, daß die Wärmeableitung von der Verdampfungsfläche allein durch die Stege sehr gering ist, zumal diese vom gesamten Rückflußstrom durchflossen und dabei erwärmt werden. Man kann deshalb auch dickere Bleche verwenden, die eine höhere Gebrauchsdauer ergeben. Es erweist sich, daß die kleinen Durchbrechungen 32 die elektrische Abschirmungswirkung der Trennwand kaum merklich beeinflussen.

In manchen Anwendungsfällen spielt die mögliche Gebrauchsdauer der Verdampfungsunterlage, obwohl diese sehr billig und leicht zu ersetzen sind, eine entscheidende Rolle, dann nämlich, wenn eine größere Stoffmenge verdampft werden soll ohne daß das Vakuum zwischendurch unterbrochen werden darf. In diesem Falle kann man eine Anordnung, wie sie in Fig.4 dargestellt ist, benutzen. Dieses Beispiel zeigt bezüglich der Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung den gleichen Aufbau wie dasjenige der Fig. 1, jedoch ist die Verdampfungsunterlage als kreisförmige Rinne 40 in einer Drehscheibe 41 ausgebildet. Man gewinnt dadurch nicht nur eine größere Heizfläche, die mehr Verdampfungsgut 42 auf einmal aufnehmen kann sondern kann z.B. an der Stelle 43 der Kreisrinne eine Zugabevorrichtung 44 vorsehen, die in F i g. 4 als Trichter angedeutet ist.

Erwähnt sei noch, daß die Erfindung besonders für die in neuerer Zeit vielfach angewendete Flashverdampfungstechnik für die Verdampfung von Gemischen sich eignet, bei der intermittierend angewendete, sehr starke Elektronenstrahlströme erforderlich sind. Die in diesem Falle sonst auftretenden elektrischen und magnetischen Felder stören nicht nur wegen ihrer absoluten Stärke sondern auch wegen ihrer zeitlichen Variation, wodurch in elektrischen Leitungen unerwünschte Wechselspannungen verursacht werden, die Messungen sehr stören können. Mittels der Erfindung werden diese Störungen vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 2 sehen Präparaten, kondensiert werden. Ein großer Patentansprüche: Vorteil der Elektronenstrahlverdampfung liegt darin, daß ein Elektronenstrahl gebündelt werden kann, so

1. Vorrichtung zur Verdampfung von Werk- daß bei entsprechender Fokussierung auf eine sehr stoffen im Vakuum durch Elektronenbeschuß, 5 kleine Fläche schon mit mäßiger Leistung eine hohe dadurch gekennzeichnet, daß die das Energiedichte und damit eine hohe Temperatur er-Verdampfungsgut tragende der Verdampfung zielt wird. Ferner kann ein Elektronenstrahl durch dienende Unterlage als Teil einer zwei Raumbe- elektrische oder magnetische Felder leicht abgelenkt reiche gegeneinander elektrisch abschirmenden und z.B. alternierend auf verschiedene Werkstoffe Trennwand ausgebildet ist, wobei in dem einen io gerichtet werden, was für die Herstellung von Misch-Raumbereich die Einrichtung zur Erhitzung des kondensaten Bedeutung hat. Die auf das Verdampgenannten Teiles der Trennwand durch Elektro- fungsgut übertragene Energie ist bei der Elektronennenbeschuß vorgesehen ist, während die dieser Strahlbeheizung bequem und genau regelbar, was für Einrichtung abgewandte Seite des genannten Tei- die Automatisierung von Aufdampfanlagen wichtig les der abschirmenden Trennwand zur Aufnahme 15 ist. Da sich überraschenderweise herausgestellt hat, der zu verdampfenden Werkstoffe ausgebildet ist. daß es möglich ist, auch nichtmetallische Werkstoffe

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- wie z. B. Quarz mit dem Elektronenstrahl zu verkennzeichnet, daß an sich bekannte elektronen- dampfen (wobei sich die Frage stellt, wie die übertraoptische Elektrodenanordnungen zur Fokussie- gene elektrische Ladung von dem Isolator abgeführt rung des aus einer Kathode austretenden Elektro- 20 wird — wahrscheinlich durch Elektronenstreuung, nenstromes auf den der Verdampfung dienenden Sekundärelektronen oder infolge einer gewissen Leit-Teil der Trennwand vorgesehen sind. f ähigkeit bei erhöhter Temperatur) würde der Elek-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch tronenstrahl das ideale Mittel zur Vakuumverdampgekennzeichnet, daß der der Verdampfung die- fung von kleinen Werkstoffmengen jeder Art darsteinende Teil der Trennwand aus einem hochtempe- 25 len, wäre er nicht auch mit einigen schwerwiegenden raturfesten, elektrisch leitenden Werkstoff so Nachteilen verbunden.

dünn ausgebildet ist, daß die durch Wärmeleitung Ein erster Nachteil ergibt sich aus der unvermeid-

abgeführte Wärmemenge kleiner als die durch die liehen Ionisation des Dampfes durch den Strahl. Dies

thermische Ausstrahlung dieses Teiles bei Be- kann eine ungleichmäßige elektrische Aufladung der

triebstemperatur verlorengehende Wärmemenge 30 zu bedampfenden Unterlagen (wenn sie Isolatoren

ist. sind) zur Folge haben, was oft zu Kondensaten mit

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch unerwünschter Verteilung oder Struktur führt. Um gekennzeichnet, daß der der Verdampfung die- diesem Nachteil zu begegnen, wurde schon vorgenende Teil der Trennwand als auswechselbares schlagen, zwecks Abfangens der störenden Ladungs-Stück einer Folie ausgebildet ist. 35 träger — Elektronen oder Ionen — ein metallisches

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch Netz oder Gitter als Abschirmelektrode zwischen der gekennzeichnet, daß der der Verdampfung die- Dampfquelle und den zu bedampfenden Flächen annende Teil der Trennwand als bewegliche Unter- zuordnen. Leider zeigt sich, daß ein derartiges, in lage ausgebildet ist. den Weg des Dampfes gestelltes Hindernis nicht nur

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 40 die Gefahr der Abschattung von Teilen der Kondenkennzeichnet, daß die Trennwand doppelwandig sationsfläche mit sich bringt, sondern auch zu wenig ausgebildet und mit Innenkühlung durch ein strö- wirksam ist, wenn die Maschen des Netzes bzw. die mendes Kühlmittel versehen ist. Abstände zwischen den Stäben des Gitters zu groß

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- sind und daß andererseits die Zwischenräume des kennzeichnet, daß die Trennwand gleichzeitig als 45 Netzes oder Gitters, wenn sie zu klein sind, infolge elektrische und magnetische Abschirmung ausge- Kondensation zuwachsen können.

bildet ist. Ein anderer Nachteil des Elektronenstrahls kann

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- sich daraus ergeben, daß er unvermeidlich mit einem kennzeichnet, daß die abschirmende Trennwand elektrischen und magnetischen Feld verbunden ist. aus einem Werkstoff mit hoher magnetischer Per- 50 Diese Felder können zunächst ganz allgemein elektrimeabilität ausgebildet ist. sehe Messungen irgendwelcher Art in der Verdamp-

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- fungsanlage beeinträchtigen, speziell aber stören sie kennzeichnet, daß die bewegliche Unterlage als dann, wenn die Kondensation in einem zur Unterlage kreisförmige Rinne in einer drehbaren Scheibe in ganz bestimmter Weise orientierten elektrischen ausgebildet ist. 55 oder magnetischen Feld vorgenommen werden soll,

wie z. B. bei der Herstellung von magnetischen dün-

nen Schichten mit vorgeschriebenen Vorzugsrichtungen der Magnetisierbarkeit (für Speicherelemente von Computern) oder bei der Herstellung von op-

Zur Verdampfung von Werkstoffen sind Vorrich- 60 tisch polarisierenden Schichten durch Aufdampfen tungen bekannt, bei denen in einer Vakuumkammer von Dielektriken in gerichteten elektrischen Feldern, eine sogenannte Elektronenkanone angeordnet ist, Die erwähnten Felder stören auch, wenn an einer deren Strahl beim Betrieb auf den zu verdampfenden Aufdampfschicht in statu nascendi elektronenopti-Werkstoff trifft, ihn erhitzt und teilweise zur Ver- sehe Untersuchungen durchgeführt werden sollen,
dampfung bringt. Der erzeugte Dampf kann auf in 65 Die vorliegende Erfindung hat sich eine Vorrichder Nähe angeordneten, mit dem genannten Werk- tung zum Ziel gesetzt, mit der die Vorteile der Elekstoff zu überziehenden Unterlagen, z.B. auf Glas- tronenstrahlverdampfung praktisch ohne Einschränplatten, optischen Linsen, elektronenmikroskopi- kung ausgenutzt, die störenden Nachteile aber ver-