DE1521363A1

DE1521363A1 - UEberwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE1521363A1
Application number: DE19661521363
Authority: DE
Inventors: Hanks Charles Wendell
Original assignee: Libbey Owens Ford Glass Co
Current assignee: Libbey Owens Ford Glass Co
Priority date: 1965-09-20
Filing date: 1966-09-16
Publication date: 1969-07-24
Also published as: DE1521363B2; BE687030A; GB1154237A; US3390249A

Description

LIBHEI-OWINS-FOED GLASS COMPANY Toledo, Ohio, V.St.v.A.

Überwachungs vorrichtung

für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden U.S.-Anmeldung Serial-No. 4-88 67I vom 2Oe September 1965 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs eines Aufdampfungsofens und sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Messen der Dampfintensität in einem Elektronenstrahl-Aufdampfungs-

ofen.

Die Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung in Elektronenstrahlofen, in welchen ein Aufdämpfungsmittel durch Elektronenbeschuss ver- bzw. aufgedampft wird. Ein Aufdampfungsofen enthält im allgemeinen einen in einer evakuierten Kammer angeordneten, aus inertem Werkstoff hergestellten Tiegel. Das Aufdampfungsgut, das typisch eine metallische Substanz ist, ist in dem Tiegel angeordnet und wird in ihm mit Hilfe eines

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Für da. Auftrag.verhältni. gilt die Gebührenordnung der Deut.chen Patentanwalt.kammer. - Gerlchtt.tand für L.l.tung und Zahiung: Berlln-Ch.rlott.nburg

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Elektronenstrahls von hoher Intensität erhitzt.

Oft wird der Elektronenstrahl mittels einer Quelle mit flachem Strahl (low beam) erzeugt, die unterhalb der öffnung des Tiegels angebracht ist, um sie vor den in dem Tiegel erzeugten Dämpfen zu schützen. Der so erzeugte Elektronenstrahl wird mit Hilfe eines gekrümmten, quer verlaufenden Magnetfeldes gelenkt, das die Elektronen über den Tiegel nach unten in ihn hineinlenkt. Ein Elektronenstrahlofen, bei dem man eine magnetisch gelenkte Quelle mit flachem Elektronenstrahl verwendet, ist in der U.S.-Patentschrift 5 177 535 beschrieben.

Die Dichte der aus dem Tiegel aufsteigenden Dampfwolke ist insofern besonders kritisch, als sie die Niederschlagsgeschwindigkeit des Aufdampfungsgutes auf den Schichtträger wesentlich beeinträchtigt. Demzufolge ist es zweckmäßig, eine Vorrichtung vorzusehen, um die Dichte der Dampfwolke im Inneren des Aufdampfungsofens stetig zu messen. Bisher war eine passende Vorrichtung, um auf diese Weise die Dampfdichte im Inneren eines Aufdampfungsofens zu überwachen, im allgemeinen nicht verfügbar. Die Dichte der Dampfwolke ist im wesentlichen eine Funktion der Intensität des Elektronenstrahls,

σ der Geschwindigkeit der Zufuhr des Aufdampfungsgutes und co

von anderen, nicht so bedeutenden Größenfaktoren.

_* Die der Erfindung zugrundeliegende Hauptaufgabe besteht

ro demzufolge in der Schaffung einer verbesserten Vor-

richtung zum Überwachen von Jj^pf Γίΐοΐιίλ·.. ORfGlNALINSPECTED

Ein besonderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zum überwachen der Dampf dichte in einem Aufdampfungsofen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zum Überwachen der Dampfdichte in einem Elektronenstrahl-Aufdampfungsofen und ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer überwachungsvorrichtung für die Dampfdichte, die eine Einrichtung zum Sammeln von Sekundärelektronen verwendet, um eine Anzeige der Dampfdichte im Inneren des Auf dampfungs ofens zu erhalten.

Die Erfindung ist im Nachstehenden anhand eines in den Figuren 1 bis 3 der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines bestimmte Merkmale der

Erfindung aufweisenden Elektronenstrahlofens,. teils im Schnitt und teils in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Teilansicht, ebenfalls teils in schema*

o tischer Darstellung, die den Elektronensträhl-

oo ofen nach Fig. 1 bei Betrachtung der Pfeile 2-2

° in Fig. 1 veranschaulicht, und

po Fig. 5 eine graphische Darstellung der Betriebskenn-

daten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung in Vorschlag gebracht, zum Überwachen der Aufdämpfung in einem Elektronenstrahl-Auf dampf ungsof en, der einen Tiegel mit einem in ihm vorhandenen Aufdampfungsmittel, Mittel zum Erzeugen eines Elektronenstrahls von hoher Intensität sowie magnetische Fokussiermittel enthält, die den Elektronenstrahl in den Tiegel hineinlenken, um das in ihm vorhandene Aufdampfungsgut zu verdampfen und über dem Tiegel eine Dampfwolke zu erzeugen, gekennzeichnet durch mindestens ein in der Nähe der magnetischen Fokussiermittel angeordnetes elektrisch leitendes Teil und durch Mittel, um an das leitende Teil eine Spannung anzulegen in der Weise, daß der über das leitende Teil fließende Strom die Dampfdichte der sich über dem Tiegel befindenden Dampfwolke anzeigt.

Zusammenfassend ist die Vorrichtung zur Aufdampfungsüberwachung nach der Erfindung zur Verwendung in einem Elektronenstrahl-Aufdampfungvofen 11 besonders geeignet. Der Ofen 11 enthält einen Tiegel 13, in dem ein Aufdampf ungsmittel 15) beispielsweise Kupfer, vorhanden ist.

Um das Aufdampfungsgut 15 zu erhitzen, ist ein Elektronenstrahlgenerator 1? vorgesehen zwecks Erzeugung eines Elektronenstrahls von hoher Intensität. Der so erzeugte Elektronenstrahl wird mit Hilfe einer magnetischen Fokussiereinrichtung 19 in den Tiegel I5 hineingelenkt.

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Außerdem ist eine Dampf überwachungsvorrichtung 20 vorgesehen, die aus mindestens einem in der Fähe der Fokussiereinrichtung 19 angeordneten, elektrisch leitenden Teil 21 besteht. Bine Stromquelle 23 führt dem elektrisch leitenden Teil 21 eine positive Spannung zu, so daß beim Betrieb des Ofens 11 Elektronen zu den und über die leitenden Teile 21 fließen. Der so erzeugte Elektronenfluß steht zu der Verdampfungsgeschwindigkeit des Aufdampfungsgutes 15 in dem Ofen 11 in funktioneller Beziehung.

Im einzelnen befindet sich der in Hg. 1 veranschaulichte Elektronenstrahlofen 11 im Inneren einer eine Kammer 2? bildenden Abgrenzung 25. Um in der Kammer 27 zwecks Erleichterung der Aufdampfung oder Beschichtung den Druck zu senken, ist eine Vakuumpumpe 29 vorgesehen, die ober die Iffand der Abgrenzung 25 mit der Kammer 27 in Verbindung steht. Die Vakuumpumpe 29 dient zum steten Evakuieren der Kammer 27, so daß in ihr ein Hochvakuum in der Größenordnung von 1.10""" Torr unterhalten werden kann. Im Inneren der Abgrenzung 25 ist auf einer an der Decke der Kammer 27 befestigten passenden Plattform 33 ein durch Aufdampfung zu beschichtender Schichtträger 31 angeordnet.

Der Tiegel 13 ist im Inneren der Kammer 27 so angeordnet, daß die aus dem Tiegel aufsteigenden Dämpfe des Aufdampfungegutes an dem Schichtträger ■ 31 niederschlagen. Der Tiegel

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kann aus inertem Material hergestellt und auf seiner Außenseite wassergekühlt sein, um eine Baaktion des Tiegelmaterials mit dem in dem Tiegel enthaltenen *. erhitzten Aufdampfungsgut 15 zu verhindern.

Das Aufdampfungsgut 15 wird mit Hilfe des durch den Hochleistungs-Elektronenstrahlgenerator 17 erzeugten Elektronenstrahls ver- bzw· aufgedampft. Gemäß der dargestellten Ausführungsform besitzt der Elektronenstrahlgenerator 17 eine sogenannte "Pierce"-Elektronenkanone 55· Eine solche Elektronenkanone besitzt im allgemeinen eine Elektronen emittierende Fläche 36, die die Form einer unmittelbar oder mittelbar beheizten Kathode haben kann, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer passenden Stromquelle 37 gespeist wird. Die so erzeugten Elektronen werden mit Hilfe einer gegenüber der Kathode positiven Anode 59 auf eine Geschwindigkeit beschleunigt und in einem Strahl in den Tiegel 13 hineingelenkt· Die Anode 39 kann gespeist werden über einen anderen Anschluß an die Stromquelle 37· Die durch die Elektronenkanone 35 erzeugten Elektronen sind im Nachstehenden als Primärelektronen bezeichnet. Vie in Fig. 1 gezeigt, ist die Elektronenkanone unterhalb der Öffnung des Tiegels angeordnet, so daß ein Mindestmaß an Eontakt mit den aus dem Tiegel 13 aufsteigenden Dämpfen gewährleistet ist.

Die magnetische Fokussiereinrichtung 19 ist in bezug

auf den Tiegel 13 so angeordnet, daß sie den- Strahl 909830/1126

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aus Primärelektronen über den Band des Tiegels hinweg auf das sich in ihm befindende Aufdampfungsgut I5 richtet bzw. lenkt. Die Pokussiereinrichtung 19 erzeugt ein Magnetfeld, das die offene Oberseite des Tiegels 1$ überbrückt und zur Richtung des Elektronenstrahls quer verläuft. Die Fokussiereinrichtung 19 enthält einen hufeisenförmigen lisenmagnetkern 41 mit einander gegenüberliegend angeordneten Polflächen 45 und 45. Der veranschaulichte Eisenmagnetkern hat einen rechteckigen Querschnitt, jedoch lassen sich eafindungsgemäß auch andere Kernformen verwenden. Um den Mittelabschnitt des Kerns 41 herum ist eine Spule 47 gewickelt. Si· Spule 47 wird aus einer passenden (nicht dargestellten) Stromquelle mit Gleichstrom gespeist, so daß zwischen den Polflächen und 45 ein Magnetfeld entsteht. Wie vorstehend erörtert, sind die Polflächen des Kerns '41 so angeordnet, daß das so erzeugte Magnetfeld die offene Seite des Tiegels 13 überbrückt.

Bei der veranschaulichten Ausführungsform haben die elektrisch leitenden Teile 21 der überwachungsvorrichtung die form von zwei rechteckigen, elektrisch leitenden Platten. Die elektrisch leitenden Platten 21 sind vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Werkstoff hergestellt, der der durch den Aufdampfungsofen erzeugten Hitze standhält. Pur diese Verwendung haben sich aus Wolfram oder Tantal hergestellte Platten als zufriedenstellend erwiesen. Die Platten- müssen elektrisch leitend sein, jedoch muß ^c 909830/1126

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vorzugsweise der Werkstoff der Platten ein solcher sein, daß die Magnetflußlinien durch ihn im wesentlichen unbeeinträchtigt hindurchgehen. Die Platten 21 haben im wesentlichen Hechteckform, wobei sie etwas größer sind als die Polflächen 43 und 45. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind beide Platten 21 jeweils zu der Polfläche 43 bzw. parallel und von ihr in geringem Abstand entfernt angebracht, indem sie mit Hilfe geeigneter isolatoren von den Polflächen gehalten werden. Obwohl bei der veranschaulichten Ausführungsform zwei elektrisch leitende Platten vorgesehen sind, die je zu den Polflächen des Kerns 41 parallel angeordnet sind, kann man bei einer Variante eine oder mehr als zwei Platten verwenden. Andererseits kann der Kern 41 von dem ihn umgebenden Gerät in geeigneter Weise -isoliert sein und können die Polflächen 43 und 45 anstelle der elektrisch leitenden Platten verwendet werden.

Um das Auffangen von Elektronen aus den Platten 21 zu erleichtern, .ist eine Gleichstromquelle 23 vorgesehen, die an die Platten eine gegenüber Erde positive Spannung anlegt. Gemäß der veranschaulichten Ausführungeform der Erfindung liefert die Stromquelle 23 ein positives Potential, das von einem Brückteil eines Volts bis zu mehr ale die Ionisierungsspannung der Dampfatome beträgt. Der Minmpol der Stromquelle 23 ist geerdet. Zwischen der Stromquelle 23 und den Platten 21 nach Fig.1 und 2 ist ein Anzeigegerät 55 in Form eines Gleichstrom-Milliampereajeters angeschlossen. 909830/1 126

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Beim Betrieb wird der mittels Aufdampfung zu "beschichtende Schichtträger 31, sich mit der offenen Seite des Tiegels deckend, an der Plattform 33 "befestigt. Das Aufdampfungsgut 15 wird in den Tiegel 13 eingebracht, worauf der Elektronenstrahlgenerator 17 aus der Stromquelle 37 gespeist wird. Gleichzeitig wird der Spule 47 Gleichstrom zugeführt, so daß quer zur offenen Seite des Tiegels ein Magnetfeld erzeugt wird. Das so erzeugte, in Querrichtung verlaufende Magnetfeld lenkt den Strahl aus Primärelektronen (Primärelektronenstrahl) über die Kante des Tiegels 13 auf das Aufdampfungsgut, so daß über dem Tiegel eine Dampfwolke entsteht, die in der Abgrenzung 25 hochsteigt und somit an dem Schichtträger 31 stetig niederschlägt.

Vor einer weiteren Erörterung der Arbeitsweise der Überwachungsvorrichtung 20 seien im Nachstehenden zunächst die physikalischen Einwirkungen eines Magnetfeldes auf ein Elektron beschrieben. Wenn ein Elektron in ein gleichmäßiges Magnetfeld zu seinen Magnetflußlinien parallel hingelenkt wird, so verändert sich die Bewegungsbahn des Elektrons durch die Anwesenheit des Magnetfeldes nicht, und bewegt sich das Elektron im wesentlichen die Magnetflußlinien entlang. Wenn Jedoch das Elektron in das Magnetfeld auf einer zu dem gleichmäßigen Feld senkrechten Bewegungsbahn eintritt, so wird seine Bewegungsbahn in · einen Kreis umgewandelt. Der Radius des Kreises ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Elektrons und der Intensität des Magnetfeldes. Die Primärelektronen aus

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der Elektronenkanone 35 treten bei so hoher Geschwindigkeit in das Magnetfeld ein, daß ihre Bewegungsbahn die Form eines Bogens anstelle eines vollständigen Kreises erhält. Jedoch bewegen sich sich langsamer vorbewegende Elektronen mit einer Energie in der Größenordnung von 100 eV, die in eine Magnetflußdichte von 200 G eintreten, auf einer kreisrunden Bewegungsbahn mit einem Krümmungsradius Von etwa 1,69 mm. Sofern ein Elektron in das Magnetfeld auf einer zu den Magnetflußlinien sowohl parallele als auch senkrechte Komponenten aufweisenden Bewegungsbahn eingebracht wird, hat die Bewegungsbahn des Elektrons in dem Magnetfeld bei zu den Magnetflußlinien paralleler Mittelachse die Form einer Schraubenlinie.

Beim Betrieb der überwachungsvorrichtung 20 wird beim Eintreten der durch die Elektronenschleuder 25 erzeugten Primärelektronen in die dichte Dampfwolke oberhalb des Tiegels 13 ein geringer Prozentsatz der neutralen Dampfatome durch einen unelastischen Zusammenstoß zwischen den neutralen Dampfatomen und den Primärelektronen ionisiert. Die so erzeugten Dampfionen zeigen auf Grund ihrer erheblichen Masse im Vergleich zu der Masse der auf sie auftreffenden Primärelektronen eine sehr geringe Veränderung ihres Energieinhaltes als Auswirkung dieses Zusammenstoßes. Die durch die kollidierenden Primärelektronen aus den neutralen Dampfatomen freigesetzten, im Nachstehenden als Sekundärelektronen bezeichneten Elektronen nehmen fast immer etwas kinetische Energie

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von Null Volt bis vielleicht zu Tausenden Volt auf, d. h. mehr als für ihre Freisetzung aus den einzelnen Dampfatomen erforderlich ist« Da eich die Sekundärelektronen langsamer bewegen als die Primärelektronen, hält sie der Magnetfluß in der Dampfwolke langer fest und sind sie somit bei der Erzeugung einer weiteren Ionisierung anderer neutraler Dampfatome wirksamer als die Primärelektronen. Somit entsteht in der Dampf wolke eine Kettenreaktion.

Die Sekundärelektronen werden aus den Atomen in allen möglichen Richtungen, und zwar von zu den Magnetflußlinien senkrechter bis zu ihr paralleler Sichtung, freigesetzt. Als Folge des geringen Krümmungsradius der Bewegungsbahn der Sekundärelektronen ist es ihnen unmöglich, aus dem Magnetfeld in einer zu den Magnetfeldlinien senkrechten Richtung zu entkommen. Die Sekundärelektronen bewegen sich somit also entlang Schraubenlinien, deren genaue Richtung zu den Magnetfeldlinien psrallel verläuft, so daß sie folglich auf die elektrisch leitenden Platten 21 auf treffen.· Diese schraubenlinienförmige Bewegung der freigesetzten Elektronen führt zu einer größeren Bewegungsbahnlänge und somit zu einer größeren Möglichkeit zu mehr Ionisierungszusammenstößen, bevor die Elektronen die Platten 21 erreichen.

Um das Auffangen von Elektronen zu unterstützen, wird an die in der Nähe der Polflächen 43 und 45 angeordneten elektrisch leitenden Platten 21 ein positives Potential

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angelegt, das von einem Bruchteil eines Volts bis zu mehr als die Ionisierungsspannung der Dampfatome betragen kann. Durch Erhöhung der Spannung bis auf ein Mehrfaches der Spannung des Ionisierungspotentials wird eine Verstärkung erreicht, die mehrere Größenordnungen höher sein kann als der Frimärelektronenstrom. Durch Anordnung der elektrisch leitenden Platten 21 an beiden Enden des Magnetfeldes werden die freigesetzten Elektronen bei ihrer Bewegung die Kraftlinien des Magnetfeldes entlang aus der Dampfwolke heraus an den Platten 21 gesammelt. Die an den Platten 21 gesammelten Elektronen fließen über das Milliamperemeter 55· Dei? Ausschlag des Milliamperemeters ist im wesentlichen der Intensität der Dampfwolke im Inneren der Abgrenzung 25 proportional.

Die Eichung des Milliamperemeters 55 läßt sich für das verwendete besondere System am besten empirisch bestimmen. Hierzu ist zu empfehlen, gesteuerte Verdampfungsvorgänge durchzuführen, um den an den Platten 21 gesammelten Strom zu gemessenen Ver- oder Aufdampfungsmengen bzw. -geschwindigkeit en in Beziehung zu setzen. Nachdem das Verhältnis ermittelt worden ist, braucht die Intensität der Elektronenschleuder 25 oder die Zuführungsgeschwindigkeit des Aufdampfungegutes nur noch auf die Soll-Ablesung des Amperemeters eingestellt zu werden, um die erforderliche Ver- oder Aufdampfungsgeschwindigkeit zu erzielen.

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In Fig. 3 ist eine typische, empirisch erzielte Eichkurve dargestellt. Der beim Festlegen dieser Kurve benutzte Ofen enthielt einen Kohlenstofftiegel mit einem Durchmesser von 25 »4 mm (1¹¹)» ia. welchem als Aufdampfungsgut Kupfer vorhanden war. Zum Ver- bzw. Aufdampfen des Aufdampfungsgutes wurde ein 5 WT-Elektronen strahl mit einem Strom von 100 mA verwendet. Die elektrisch leitenden Platten wurden auf einem positiven Potential von etwa 100 V gehalten. Die in Fig. 3 dargestellte Kurve 57 zeigt das Verhältnis zwischen dem Anodenstrom der Platten (Ordinaten) und der Aufdampfung pro Zeiteinheit (Abszissen) für den besonderen Versuchsofen.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur überwachung der Aufdämpfung in einem Elektronenstrahl-Aufdampfungsofen, der einen Tiegel mit einem in ihm vorhandenen Aufdampfungsmittel, eine Quelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls von hoher Intensität und eine magnetische Pokussiereinrichtung enthält, die den Elektronenstrahl in den Tiegel hineinlenkt, um das in ihm vorhandene Aufdampfungsgut zu verdampfen und über dem Tiegel eine Dampfwolke zu erzeugen, gekennzeichnet durch mindestens ein in der Nähe der magnetischen Fokussiereinrichtung (19) angeordnetes elektrisch leitendes Teil (21) und durch eine Spannungsquelle (23), um an das leitende Teil (21) eine Spannung anzulegen in der Weise, daß der über das leitende Teil (21) fließende Strom die Dampfdichte der sich über dem Tiegel (13) befindenden Dampfwolke anzeigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die magnetische Fokussiereinrichtung zwei einander gegenüberliegende Polflächen aufweist, zwischen denen ein Magnetfeld unterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Teil (21) eine nicht magnetische, elektrisch leitende Platte ist, die in dem Magnetfeld angeordnet und in der Seihe der Polflächen (43, 45) angebracht ist.

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3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle für das elektrisch leitende Teil (21) eine Gleichstromquelle (23) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Pluspol der Gleichstromquelle (23) an die elektrisch leitende Platte (21) angeschlossen ist, um an sie eine positive Spannung anzulegen, und daß an die Platte (21) und an die Stromquelle (23) ein Meßgerät (55) in Reihe angeschlossen ist, um die Große des zu der Platte ./(21) fließenden Elektronenstroms anzuzeigen.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch leitende Platten (21) vorgesehen sind, von «eichen je eine in der Sähe der Polflächen (43 bzw. 45) angeordnet ist.

6. Elektronenstrahl-Aufdampfungsofen, gekennzeichnet, durch eine Auf dampf ungs überwachungsvorrichtung nach eine« der Ansprüche 1 bis 5

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Seiler u. Pfenning

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