DE1539010B1

DE1539010B1 - Kaltkathoden-Glimmentladungseinrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbuendels

Info

Publication number: DE1539010B1
Application number: DE19661539010
Authority: DE
Inventors: Ronald Arthur Dugdale
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1965-03-19
Filing date: 1966-03-18
Publication date: 1970-10-29
Also published as: NL6603599A; GB1145013A; JPS5020718B1; US3383550A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Kaltkathoden- der Herstellung von elektronischen Mikroschaltungen.

Glinxmentladungseinrichtungen zur Erzeugung eines In solchen Fällen kann der Strom von Elektronen auf

Elektronenstrahlbündels, bestehend aus einem Ge- einen entsprechend festgelegten Fokus gebracht wer-

häuse, einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines den, wobei nach Bedarf eine gewisse magnetische

verminderten Gasdruckes in dem Gehäuse, einer 5 Fokussierungsanordnung verwendet wird, um den

innerhalb des Gehäuses angeordneten, an beiden Fokussierungsvorgang der Elektrodenanordnung zu

Enden offenen zylindrischen Anode und einer der ergänzen. Die Lage des Fokus wird dann über das zu

einen Stirnseite des· Anodenzylinders gegenüber an- bearbeitende Material bewegt, z. B, unter der Steue-

geordneten Kathode, bei der Ionen aus der Glimm- rung eines Programms, um die gewünschte Wegnahme

entladung die Kathode bombardieren und die elek- io von Material zu bewirken. Zusätzlich dazu kann der

irischen Feldlinien zwischen Anode und Kathode die Strahl von Elektronen nötigenfalls auch moduliert

Bündelung der entstehenden freien Elektronen be- werden, und dies kann ebenfalls unter der Steuerung

wirken. des Programms erfolgen.

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art Die Erfindung wird an Hand von sieben Kaltkatho-

(deutsche Patentschrift 896 533, Fig. 3) ist eine 15 den-Glimmentladungseinrichtungen ausführlicher be-

blendenartig ausgebildete Anode vorgesehen, deren schrieben, und zwar zeigt

der Kathode zugewandte Öffnung im Verhältnis zur Fig. 1 schematisch die Elektrodenanordnung einer

radialen Abmessung des Anodenzylinders klein ist. bereits bekannten Einrichtung,

Die Kathode ist hohlspiegelartig gekrümmt, so daß F i g. 2, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 schematisch jeweils die

die kathodennahen Potentialflächen gegen die Ka- 20 Elektrodenanordnung der vorgenannten sieben Ein-

thode eine konvexe Krümmung aufweisen, was zu richtungen,

einer Bündelung führt (Brüche, E. und Scher- Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung ^

ζ er, O., Geometrische Elektronenoptik, 1934, der Betriebsweise der Einrichtung nach F i g. 2, f

S. 100 und 101). Bei der bekannten Einrichtung Fig. 10 schematisch den Elektrodenaufbau eines

(deutsche Patentschrift 896 533) lösen positive Ionen, 25 Ofens mit etlichen der Einrichtungen nach Fig. 4,

die auf die Kathode auftreffen, aus ihr Elektronen Fig. 11 schematisch ein Mikrobearbeitungsgerät

aus, die zum Teil als Elektronenstrahl durch die mit einer der Einrichtungen nach Fig. 9, während

Bohrung der Anode in den Raum niederen Drucks F i g. 12 schematisch ein Bearbeitungsgerät wieder*·

austreten. Zur Erhöhung der Ausbeute ist die Ka- gibt, welches eine abgeänderte Ausführungsform der

thode mit einer entsprechenden Oberflächenschicht 30 Einrichtung nach F i g. 9 enthält,

versehen oder die gesamte Kathode ist aus einem F i g. 1 der Zeichnung zeigt schematisch die Elek-

Werkstück mit hoher Elektronenemission hergestellt. trodenanordnung einer bereits bekannten Ein-

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine richtung. Die Elektrodenanordnung weist eine hohle

Einrichtung der angegebenen Art so auszubilden, daß rundzylindrische Anode 1, die am einen Ende ge-

sie gegenüber dem bekannten Stand der Technik lei- 35 schlossen ist, sowie eine Kathode 2 in der Nähe des

stungsfähiger ist. offenen Endes der Anode 1 auf.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Die Elektrodenanordnung wird innerhalb eines

der Kathode zugewandte Öffnung des Anoden- Gehäuses gehalten, das auf einen Gasdruck von

Zylinders so groß und der Abstand Anode—Kathode wenigen Mikron Quecksilberdruck evakuiert ist.

so klein gewählt sind, daß sich die Glimmentladung 40 Wenn passende Betriebspotentiale an die Anode 1 und

in den von der Anode umschlossenen Hohlraum er- die Kathode 2 angelegt werden, dann findet eine

streckt. Glimmentladung statt, und ein Strahl 3 von Elek-

Bei der neuen Einrichtung wird also das Gas im tronen verläuft in Richtung auf das geschlossene

Innern des Anodenzylinders ionisiert, und die Anode Ende der Anode 1. Die Äquipotentiale 4 und die I

bewirkt eine Konzentration der in dem Gas erzeugten 45 elektrischen Feldlinien 5 sind durch gestrichelte

Ionen. Dies führt zu einer größeren Konzentration Linien angedeutet. Der Strahl 3 von Elektronen hat

der Ionen auf der Kathode, wodurch ein sehr inten- das Bestreben, in Richtung auf das geschlossene Ende

siver Elektronenstrahl erzeugt wird. Bemerkenswert der Anode 1 auseinanderzulaufen,

ist, daß sich die Gasentladung auch in den Raum F i g. 2 der Zeichnung zeigt schematisch die Elek-

niedrigeren Druckes fortsetzt und daß die Gestalt der 50 trodenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels

Anode zusätzlich zur entsprechenden Ausbildung des der Erfindung. Die Elektrodenanordnung weist eine

elektrischen Feldes und damit zur Fokussierung des hohle rundzylindrische Anode 6 auf, die an beiden

Elektronenstrahls führt. Enden offen ist, wobei in der Nähe des einen der

Die Anode muß nicht unbedingt rundzylindrisch offenen Enden eine Kathode 7 sowie eine Vorspan-

sein, sondern kann beispielsweise einen rechteckigen 55 nungselektrode 8 vorgesehen sind. Die Kathode 7 und

Querschnitt aufweisen. Das erzeugte Elektronen- die Vorspannungselektrode 8 sind beide eben, ver-

strahlbündel kann im Sinne eines Zeigerstrahles auf laufen senkrecht zur Achse der Anode 6 und sind

einen Punkt fokussierbar sein. Es ist aber auch mög- relativ zur Anode 6 symmetrisch angeordnet; und die

lieh, das Bündel auf eine Linie zu fokussieren. Kathode 7 weist eine zentrale Öffnung 9 auf. Alle

Es kann außerdem eine Einrichtung vorgesehen 60 Elektroden sind Edelstahlplatten, obwohl selbstver-

sein, um den Strahl von Elektronen zu modulieren ständlich auch andere geeignete Materialien ver-

und/oder abzulenken. Wie vorher braucht die Anode wendet werden können,

nicht unbedingt rundzylindrisch zu sein. Die Elektrodenanordnung wird innerhalb eines

Vorrichtungen, wie sie oben erwähnt sind, können Glas- oder Glas/Metall-Gehäuses (nicht dargestellt) beispielsweise für die Bearbeitung von feuerfesten 65 von bekannter Form gehalten, welches ein geeignetes Stoffen, wie beispielsweise Keramiken, verwendet Gas, ζ. Β. Luft, Argon, Wasserstoff oder Helium, werden, oder auch für die Mikrobearbeitung von unter einem Druck von wenigen Mikron Quecksilber-Stoffen wie Metallen, Halbleitern oder Keramiken bei druck enthält. Der gewünschte Druck wird durch

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kontinuierliches Auspumpen des Gehäuses aufrecht- wo das Potential der Vorspannungselektrode 8 posierhalten, während man zur gleichen Zeit das ge- tiv ist) so ist, daß der Strahl 10 das Bestreben hat, bis wünschte Gas über ein Ventil einströmen läßt, wel- zu einem gewissen Ausmaß fokussiert zu werden. Der dies so eingestellt ist, daß sich der gewünschte Gas- Strahlstrom kann durch Veränderung des Potentials druck im Gehäuse ergibt. 5 der Vorspannungselektrode 8 moduliert werden, wo-

Die Elektroden sind mit Potentialquellen ver- bei die maximale Modulationsfrequenz in erster Linie bunden, so daß während des Betriebs die Anode 6 durch die endlichen Transit- bzw. Übergangszeiten auf einem hohen positiven Potential, beispielsweise der Ionen bestimmt wird, die innerhalb der Anode 6 1 bis 20 oder sogar 100 kV, relativ zur geerdeten und somit auf der Strecke zwischen der Kathode 7 Kathode 7 gehalten wird. Die Vorspannungselek- io und der Anode 6 gebildet werden, trode 8 wird auf einem vergleichsweise niedrigen F i g. 4 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung

Potential gehalten, beispielsweise 0 bis 100 Volt, und eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Wo zwar positiv oder negativ zur Kathode 7. es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen wie

Die Betriebsweise wird nunmehr auch mit Bezug vorher verwendet. Die Elektrodenanordnung weist auf F i g. 3 der Zeichnung beschrieben, die grafisch 15 eine Anode 6 sowie eine Kathode 13 auf, wobei keine die Beziehung zwischen dem Elektronenstrahlstrom Vorspannungselektrode vorhanden ist. Die Kathode (Ordinaten) und dem Potential der Vorspannungs- 13 ist im allgemeinen eben, hat jedoch eine zentrale elektrode 8 (Abszissen) zeigt. Einbuchtung 14. Abgesehen davon ist die zweite Vor-

Eine Glimmentladung findet zwischen der Anode 6 richtung der ersten Vorrichtung (nach F i g. 2) und der Kathode 7 statt, weil Elektronen von der 20 ähnlich.

Kathode 7 das Gas innerhalb der Anode 6 ionisieren, Während des Betriebs wird ein Elektronenstrahl

und einige der so erzeugten positiven Ionen treffen 10 erzeugt, wobei die den Strahl 10 bildenden Elekauf die Kathode 7 und geben mehr Elektronen frei. tronen auf positive Ionen zurückzuführen sind, welche Einige der positiven Ionen gehen jedoch durch die die Kathode 13 treffen. Eine Fokussierung des Elek-Öffnung 9 hindurch und bewirken eine Townsend- 25 tronenstrahls 10 erfolgt in diesem Falle wegen der Entladung in dem Raum zwischen der Kathode 7 und Abänderung der Form der Äquipotentiale 11 und der der Vorspannungselektrode 8 durch Ionisierung des elektrischen Feldlinien 12, was auf das Vorhanden-Gases in diesem Raum. Eine Eigenart dieser Ent- sein der Einbuchtung 14 zurückzuführen ist. Der ladung ist die Vervielfältigung von Elektronen. So- Fokus ist auf diese Weise abhängig von der Größe lange das Potential der Vorspannungselektrode 8 30 und Tiefe der Einbuchtung 14. Bei dieser Elektrodenmehr positiv ist als ein gewisser kritischer (Wert V_p), anordnung wird der Elektronenstrahl 10 nicht moduwerden im wesentlichen alle Elektronen im Raum liert.

zwischen der Kathode 7 und der Vorspannungselek- F i g. 5 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung

trode 8 (Townsend-Elektronen) an der Vorspan- eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, nungselektrode 8 gesammelt, und der Strahlstrom ist 35 Wo es möglich ist, werden wiederum die gleichen gering. Durch Änderung des Potentials der Vor- Bezugszeichen wie vorher verwendet. Die Elektrodenspannungselektrode 8 in Richtung auf Erdpotential anordnung weist eine Anode 6, eine Kathode 7 und wird der Strahlstrom erhöht. Dies ist auf die Diffusion eine Vorspannungselektrode 8 auf, genau wie bei dem einiger der Townsend-Elektronen durch die Öffnung 9 ersten Ausführungsbeispiel (F i g. 2), jedoch ist zuhindurch zurückzuführen, wo sie an der Hauptglimm- 40 sätzlich eine Fokussierungselektrode 15 zwischen der entladung innerhalb der hohlen Anode 6 teilnehmen Anode 6 und der Kathode 7 vorgesehen. Die Fokus- und die von der Kathode 7 ausgehenden Elektronen sierungselektrode 15 ist eben und verläuft senkrecht ergänzen. Wenn das Potential der Vorspannungs- zur Achse der Anode 6 und weist eine runde Mittelelektrode 8 negativ gemacht wird, dann fällt der aussparung 16 von größerem Durchmesser als die Strahlstrom wiederum ab, und zwar als Folge davon, 45 Öffnung 9 auf.

daß die Townsend-Elektronen das Bestreben haben, Sieht man von der Fokussierungselektrode 15 ab,

von der Kathode 7 eingefangen zu werden, wobei auf so ist die Betriebsweise dieses dritten Ausführungsdiese Weise die Anzahl vermindert wird, die durch beispiels die gleiche wie diejenige des ersten (F i g. 2). die Öffnung 9 hindurch diffundieren kann. Wenn die Der Strahlstrom kann ebenfalls moduliert werden. Vorspannungselektrode 8 in ausreichendem Maße 50 Die geometrische Anordnung der Fokussierungseleknegativ gemacht wird, dann werden alle Townsend- trode 15 und der Kathode 7 begünstigt jedoch nun-Elektronen durch die Kathode 7 eingefangen, und es mehr die Bildung eines fokussierten Elektronenstrahls diffundieren keine durch die Öffnung 9 hindurch, um und wendet das bei dem zweiten Ausführungsbeispiel diejenigen in der Hauptglimmentladung zu ergänzen. (Fig. 4) geltende Prinzip an. Zusätzlich dazu kann Bei Potentialen der Vorspannungselektrode 8, die 55 durch Anlegen eines Potentials, welches positiv oder mehr negativ sind als dieser kritische Wert (F_n), ist negativ sein kann, an die Fokussierungselektrode 15 der Strahlstrom wiederum gering. der Grad der Fokussierung des Elektronenstrahls 10

Die Werte V_n und V_p sind — in einem besonderen nach Wunsch verändert werden. Fall — jeweils etwa 100 und +50VoIt, jedoch Fi g. 6 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung

ändern sich diese Werte in Abhängigkeit von vielen 60 eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Faktoren, insbesondere in Abhängigkeit von dem Auch hier werden wiederum nach Möglichkeit die Abstand zwischen der Kathode 7 und der Vorspan- gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Elektrodennungselektrode 8, der Größe der Öffnung 9, der Art anordnung weist eine Anode 6, eine Vorspannungsdes Gases, dem Gasdruck, der Anodenspannung usw. elektrode 8 sowie eine Fokussierungselektrode 15 auf. Innerhalb der Grenzen von V_n und V_p wird ein 65 In diesem Falle wird jedoch eine Kathode 17 in Form Elektronenstrahl 10 erzeugt, wobei die Form der einer ebenen runden Scheibe von etwas kleinerem Äquipotentiallinien 11 und der elektrischen Feld- Durchmesser als die Aussparung 16 verwendet, linien 12 (die in F i g. 2 für den Fall dargestellt sind, , Die Betriebsweise dieses vierten Ausführungs-

beispiels ist sehr ähnlich, derjenigen des dritten durch zwei Ablenkelektroden, ähnlich den Elektroden

(F i g, 5), mit der Ausnahme, daß die Ionen und 18 und 19 des fünften Ausführungsbeispiels (F i g. 7),

Elektronen, die in den Raum zwischen der Kathode ersetzt wird, wobei auf diese Weise der Elektronen-

17 und der Vorspannungselektrode 8 eintreten und strahl 10 hin- und herwandern kann.

diesen verlassen, um die Kathode 17 anstatt durch 5 Zusätzlich oder alternativ kann die Kathode 20 ■eine Aussparung in dieser hindurchgelangen. auch axial beweglich gemacht werden, und zwar zu

Fig. 7 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung dem Zweck, den Grad der Fokussierung des Elekeines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung. tronenstrahls 10 zu verändern. Wiederum sind nach Möglichkeit die gleichen Bezugs- Fig. 9 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung

zeichen wie vorher verwendet worden. Die Elek- io eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es trodenanordnung besteht aus einer Anode 6, einer werden nach Möglichkeit wiederum die gleichen Vorspannungselektrode 8 und einer Kathode 17. Die Bezugszeichen wie vorher verwendet. Die Elektroden-Stelle der Fokussierungsefektrode 15 des dritten und anordnung besteht aus einer Anode 6 und einer vierten Ausführungsbeispiels (F i g. 5 und 6) wird von Kathode 22, welche die Form einer flachen Platte hat. einem Paar von Ablenkelektroden 18 und 19 ein- 15 Zwischen der Anode 6 und der Kathode 22 befindet genommen, die sich ähnlich, aber nicht elektrisch sich eine Steuerelektrode 23, die in Stellung und Form verbunden sind. der Fokussierungselektrode 15 der dritten Elek-

Die Betriebsweise dieses fünften Ausführungs- trodenanordnung (F i g. 5) ähnlich ist, jedoch zubeispiels ist die gleiche wie diejenige des vierten sätzlich die Funktion der Modulierung des Elek-(F i g. 6), solange die beiden Ablenkelektroden 18 und 20 tronenstrahls 10 ausführt, wenn an sie ein veränder-19 auf dem gleichen Potential gehalten werden. Wenn liches Potential angelegt wird. Die Steuerelektrode jedoch die Ablenkelektroden 18 und 19 unterschied- 23 weist eine Steueraussparung 24 von etwas kleine- g liehe Potentiale führen, dann wird der Elektronen- rem Durchmesser als die Kathode 22 auf. Bei dieser ™ strahl 10 abgelenkt, wobei Fig. 7 die Ablenkung Anordnung passieren weniger Ionen die Kathode 23, zeigt, die von der Ablenkelektrode 18 ausgeht, welche 25 und es ist keine Vorspannungselektrode notwendig, ein mehr positives Potential als die Ablenkelektrode Die Betriebsweise dieses Ausführungsbeispiels ist

19 führt. Auf diese Weise kann durch Anlegen von im allgemeinen ähnlich derjenigen des vierten veränderlichen Potentialen an die Ablenkelektroden (F i g. 6), abgesehen von dem NichtVorhandensein der

18 und 19 der Elektronenstrahl 10 dazu gebracht Auswirkungen infolge einer Vorspannungselektrode, werden, hin- und herzustreichen. Das Ausmaß bzw. 30 Bei dem siebten Ausführungsbeispiel kann die die Geschwindigkeit des Hin- und Herstreichens kann Kathode 22 drehbar angeordnet werden wobei sie sich stark verändern, da durch die Ionen keine Fre- größer gemacht wird und auf einer Achse angeordnet quenzbegrenzung auferlegt wird. wird, die aus der Mitte der Aussparung 24 in der

Dadurch, daß eine geeignete Aussparung im Weg Steuerelektrode 23 versetzt ist. Dadurch wird die des Elektronenstrahls 10 vorgesehen wird und der 35 Erosion über die Oberfläche der Kathode 22 verteilt Elektronenstrahl 10 dazu gebracht wird, hin-und her- und die Lebensdauer verlängert. Eine noch größere zustreichen, wie oben beschrieben, kann der Elek- Oberfläche der Kathode 22 kann verwendet werden, tronenstrahl 10 je nach Wunsch geschaltet oder wenn die Achse beweglich gemacht wird, moduliert werden. Außerdem kann die Vorrichtung Bei allen beschriebenen Einrichtungen kann es so abgeändert werden, daß sie eine ausgesparte 40 erwünscht sein, eine zusätzliche Elektrode vorKathode ähnlich der des dritten Ausfuhrungsbeispiels zusehen, die die Anode umgibt und auf Erdpotential (F i g. 5) aufweist. gehalten wird, so daß sie die Tendenz einer uner-

F i g. 8 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung wünschten Gasentladung außerhalb der Anode her-

eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung. absetzt. i

Auch hier werden nach Möglichkeit wieder die glei- 45 Außerdem kann bei allen beschriebenen Vorrich-

chen Bezugszeichen wie vorher verwendet. Die Elek- tungen der Elektronenstrahl 10 durch andere geeig-

trodenanordnung besteht aus einer Anode 6, einer nete Elektroden oder andere bekannte Mittel, wie

Vorspannungselektrode 8 und einer Fokussierungs- beispielsweise Magnetlinsen oder magnetische oder

elektrode 15. In diesem Falle wird jedoch eine elektrostatische Ablenkeinrichtungen weiterhin f okus-

Kathode 20 durch das Ende eines Edelstahlstabes 50 siert oder abgelenkt werden.

gebildet. Der Stab ragt durch eine Aussparung 21 in Der Einfachheit halber sind alle Einrichtungen so

der Vorspannungselektrode 8 hindurch. Die Kathode beschrieben worden, daß sie einen rundzylindrischen

20 kann anfänglich flach sein, obwohl das Zerstäuben Querschnitt haben, so daß ein bleistiftförmiger Strahl

bzw. Abtragen das Bestreben hat, sie bei Verwen- von Elektronen erzeugt wird, der auf einen Punkt

dung eine konkave Form annehmen zu lassen. In 55 fokussiert werden kann. Alle Vorrichtungen können

einigen Fällen kann es daher vorgezogen werden, die jedoch auch einen rechteckigen Querschnitt haben,

Kathode 20 von Anfang an abzurunden, da diese so daß der Strahl von Elektronen zu einem Elek-

Form die Tendenz hat, beim Zerstäuben bewahrt zu tronenstreifen wird, der auf eine Linie fokussiert

bleiben. werden kann.

Die Betriebsweise dieser sechsten Elektroden- 60 Die Einrichtungen können auf viele verschiedene

anordnung ist im allgemeinen derjenigen des vierten Weisen verwendet werden, von denen nachfolgend

Ausführungsbeispiels (Fig. 6) ähnlich, jedoch ergibt kurz ein Paar erwähnt werden,

die Form der Kathode 20 die Möglichkeit, die Emit- Die erste Einrichtung (Fig. 2) kann als ein »Drei-

tierungsfläche nach Wunsch sehr klein zu machen, kathoden«-Verstärker verwendet werden, indem der

und hat daher das Bestreben, einen besser fokussier- 65 Elektronenstrahl 10 auf einer weiteren Elektrode

ten Strahl 10 von Elektronen zu ergeben. (nicht dargestellt) gesammelt wird, die auf einem

Das sechste Ausführungsbeispiel kann in der Weise passenden positiven Potential gehalten wird. Eine

abgeändert werden, daß die Fokussierungselektrode mögliche Verwendungsform einer solchen Vorrich-

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tung besteht im Impedanzelement einer Spannungs- vorher eine Anode 6, eine Kathode 22 und eine

Stabilisierungsschaltung, wobei die Impedanz der Steuerleketrode 23 auf. Diese Elektrodenanordnung'

Vorrichtung sich in Abhängigkeit vom Pegel eines ist in der Nähe des einen Endes einer Metall- oder

Steuersignals ändert, welches der Vorspannungs- Metall/Glas-Umhüllung 28 angebracht, wobei der elektrode 8 zugeführt wird. .5 Körper 27 in der Nähe des anderen Endes angebracht

Die erste Einrichtung (Fig. 2) kann auch dazu ver- wird.

wendet werden, einen Gaslaser in solcher Weise zu Die Umhüllung 28 wird durch eine Pumpe 29 eva-

erregen, daß der Lichtausgang des Laser moduliert kuiert, und ein Gas wird unter der Steuerung eines

wird. Ventils 30 von einer Gas-Lieferquelle 31 her zu-

Die zweite bis siebte Einrichtung können dazu ver- io geführt, so daß der gewünschte Gasdruck in der Umwendet werden, den Elektronenstrahl in einem hüllung 28 aufrechterhalten wird.
Kathodenstrahlrohr zu erzeugen, wobei auf diese Die Kathode 22 ist geerdet und entsprechende Weise die Notwendigkeit einer Glühkathode ver- Betriebspotentiale, die von einer Energiezufuhr 32 mieden wird. abgeleitet werden, werden der Anode 6 und der

Die zweite bis siebte Einrichtung können außer- 15 Steuerelektrode 23 zugeführt, so daß ein Elektronen-

dem auch dazu verwendet werden, Elektronenstrah- strahl 33 erzeugt wird. Der Strahl 33 wird durch eine

len zum Erhitzen von Metallen, keramischen Stoffen elektromagnetische Fokussierungsspule 34 fokussiert

und anderen Materialien auf extrem hohe Tempe- und verläuft dann durch eine Prallplatte 35 hindurch,

raturen für jeglichen gewünschten Zweck zu erzeugen. welche die Verunreinigung der Elektroden 6, 22 und Auf Grund der zur Verfügung stehenden intensiven 2° 23 der Vorrichtung durch Dampf vom Körper 27

Wärmeflüsse und der Anpassungsfähigkeit der Vor- vermindert. Der Strahl 33 gelangt dann durch, zwei

richtungen an eine Vielzahl von geometrischen An- Paare von elektromagnetischen Ablenkspulen, von

Ordnungen besteht nur eine geringe Einschränkung denen ein Spulenpaar 36 dargestellt ist, und wird

hinsichtlich der Abmessung oder Wärmebeständig- dann auf dem Körper 27 durch eine weitere elektro-

keit von zu erhitzenden Werkstoffen. 25 magnetische Fokussierungsspule 37 fokussiert.

F i g. 10 zeigt einige der zweiten Einrichtungen Um die gewünschte Materialabtragung vom Kör-(Fig. 4), die so angeordnet sind, daß sie einen Ofen per 27 zu bewirken, wird die Intensität des Elekzur Erhitzung eines Stabes 25 durch Elektronen- tronenstrahls 33 nach Bedarf durch Veränderung des beschießung bilden. Nach Möglichkeit sind die der Steuerelektrode 23 zugeführten Potenttials vergleichen Bezugszeichen wie vorher verwendet worden. 30 ändert, und der Fokus des Strahls 33 wird dazu ge-Es sind praktisch sechs der Einrichtungen vorhanden, bracht, den gewünschten Weg auf der Oberfläche des und es gibt somit sechs untereinander verbundene Körpers 27 auszunehmen, und zwar dadurch, daß das Anoden 6 und sechs untereinander verbundene Ka- den beiden Paaren von Ablenkspulen 36 zugeführte thoden 13. Jede der Einrichtungen hat einen recht- Ablenksignal verändert wird. Diese beiden Steueeckigen Querschnitt und liefert einen Streifen 26 von 35 rungen werden zweckmäßigerweise durch ein ProElektronen, die am Stab 25 auf eine Linie fokussiert gramm bewirkt, so daß alle erforderlichen Bearbeiwerden. tungsvorgänge auf einer Oberfläche des Körpers 27

Eine verbesserte Ausführungsform des in Fig. 10 in Aufeinanderfolge geschehen. Der nächste Körper dargestellten Ofens könnte unter Verwendung des bei 27 wird dann in seine Lage gebracht oder der vorder dritten Einrichtung (Fig. 5) dargestellten Prin- 4° handene Körper 27 gedreht, um dem Strahl27 eine zips gebaut werden. So könnten die sechs ausgespar- andere Oberfläche darzubieten. Einer dieser Vorten Kathoden der Fig. 10 durch geschlitzte Kathoden gänge oder beiden können ohne Öffnen der Umhülmit Fokussierungselektroden und Vorspannungselek- lung 28 nach der Atmosphäre hin erfolgen. Da jedoch troden ersetzt werden. Diese Anordnung würde die das erforderliche Vakuum ziemlich grob ist, entsteht Verunreinigung des Ofens mit von der Kathode ab- 45 keine große Verzögerung, wenn die Umhüllung 28 gesprühten Atomen vermindern. dennoch nach der Atmosphäre hin geöffnet werden

In allen Fällen, wo eine Einrichtung mit einem muß.

starken Strahlstrom verwendet wird, kann eine uner- Fig. 12 zeigt eine Weiterbildung der Einrichtung wünschte Erwärmung der Elektroden, insbesondere nach F i g. 9 derart, daß ein Elektronenstrahl 38 von der Vorspannungselektrode, durch Ionenbeschießung 50 großer Intensität gebildet werden kann, um einen erfolgen. Dies kann dadurch vermindert werden, daß relativ großen Körper 39 aus feuerfestem Material, die entsprechende Elektrode ausgespart wird. Vor- wie beispielsweise Keramik, zu schmelzen oder zu richtungen mit ausgesparten Elektroden können da- bearbeiten. DerElektrodenaufbau weist eine Anode 6, zu verwendet werden, einen Strahl von Ionen und eine Kathode 22 und eine Steuerelektrode 23 auf. Die schnellen neutralen Atomen zu erzeugen, voraus- 55 genannten Elektroden sind rotationssymmetrisch,
gesetzt, daß die ausgesparte Vorspännungselektrode Der Elektronenstrahl 38 ist daher im allgemeinen in geeigneter Weise positiv vorgespannt wird. Die konisch und wird durch innere und äußere Fokussie-Ionen können punktförmig oder linienförmig, fokus- rungsspulen 43 und 44 fokussiert. Weitere Fokussiesiert werden und ihre Intensität kann, wie bei dem rungsspulen mit Prallkörpern können verwendet Elektronenstrahl, moduliert werden; sie können 60 werden, um die Verunreinigung der Elektroden durch außerdem mit Magnetfeldern abgelenkt werden. Dampf vom Material des Auftreffkörpers auf ein

Fig. 11 zeigt die Anwendung der Einrichtung nach Mindestmaß herabzusetzen.

Fig. 9, die zur Mikrobearbeitung eines Körpers 27 Weitere Verwendungsmöglichkeiten der beschrie-

eingerichtet ist, welcher aus Metall, aus Halbleiter- benen Einrichtungen sind:

material oder aus Keramik oder irgendeiner Kombi- 65 Das Typensetzen durch Ausarbeitung aus einem

nation davon bestehen kann und aus dem eine elek- Block, das Formen optischer Linsen durch Bear-

tronische Mikroschaltung hergestellt werden soll. Die beiten, die Verwendung in Röntgengeräten, die Ver-

Elektrodenanordnung dieser Einrichtung weist wie Wendung bei der Erzeugung von Plasmaschwingun-

gen, die Verwendung für das Elektronenstrahlschweißen und die Verwendung auf jeglichen Anwendungsgebieten, wo eine intensive, aber kontrollierte Erwärmung erforderlich ist (wie beispielsweise beim Glühen, Wärmebehandeln, Schmelzen, Verdampfen, Kristallzüchten und beim Verfeinern von Werkstoffen).

Claims

Patentansprüche: IO

1. Kaltkathoden-Glimmentladungseinrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels, bestehend aus einem Gehäuse, einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines verminderten Gasdruckes in dem Gehäuse, einer innerhalb des ¹S Gehäuses angeordneten, an beiden Enden offenen, zylindrischen Anode und einer der einen Stirnseite des Anoden-Zylinders gegenüber angeordneten Kathode, bei der Ionen aus der Glimmentladung die Kathode bombardieren und ao die elektrischen Feldlinien zwischen Anode und Kathode die Bündelung der entstehenden freien Elektronen bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kathode zugewandte Öffnung des Anodenzylinders so groß und der Abstand Anode—-Kathode so klein gewählt sind, daß sich die Glimmentladung in den von der Anode umschlossenen Hohlraum hineinerstreckt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (13) eben und senkrecht zur Zylinderachse angeordnet ist und eine zentrale ebene Einbuchtung (14), aufweist, die parallel zur Ebene der Kathode (13) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Elektrode (8) auf der der Anode (6) abgewandten Seite der Kathode (7), die gegen die Kathode vorgespannt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (7) und die Vor- Spannungselektrode (8) eben sind und daß die Kathode (7) eine zentrale runde Öffnung (9) aufweist, die symmetrisch zur Anode (6) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Elektrode (15) zwischen der Anode (6) und der Kathode (7) angeordnet ist, daß diese weitere Elektrode (15) eben ist und eine zentrale runde Aussparung (16) aufweist, die symmetrisch zur Anode (6) angeordnet ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die dieser weiteren Elektrode (15) eine veränderliche Betriebsspannung zuführt, wodurch der Fokus des Strahls (10) von Elektronen zu verändern ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (17) und die Vorspannungselektrode (8) eben sind und daß eine weitere Elektrode (15) zwischen der Anode (6) und der Kathode (17) angeordnet ist, wobei diese weitere Elektrode (15) eben ist und eine zentrale runde Aussparung (16) aufweist, die symmetrisch zur Anode (6) angeordnet ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die der weiteren Elektrode (15) ein veränderliches Betriebspotential zuführt, wodurch der Fokus des Strahls (10) von Elektronen zu verändern ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (17) und die Vorspannungselektrode (8) eben sind, daß zwei weitere Elektroden (18 und 19) zwischen der Anode (6) und der Kathode (17) angeordnet sind, wobei diese weiteren Elektroden (18 und 19) eben und gleich sind und in der gleichen Ebene an symmetrischen Stellen relativ zur Anode (6) liegen, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die den beiden weiteren Elektroden (18 und 19) veränderliche und unterschiedliche Betriebspotentiale zuführt zur Beeinflussung der Strahlrichtung.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Kathodenfläche (20) das Ende eines auf der Achse der Anode (6) angeordneten Stabes ist, daß dieser Stab durch eine Aussparung (21) in einer ebenflächigen ersten weiteren Elektrode (8) hindurchragt, daß eine zweite weitere Elektrode (15) zwischen der Anode (6) und der Kathode (20) angeordnet ist, daß die zweite weitere Elektrode (15) eben ist und eine zentrale runde Aussparung (16) aufweist, die symmetrisch zur Anode (6) angeordnet ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die der weiteren Elektrode (15) ein veränderliches Betriebspotential zuführt, wodurch der Fokus des Elektronenstrahls (10) zu verändern ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuerelektrode (23), die zwischen der Kathode (22) und der Anode (6) angeordnet ist sowie durch eine Einrichtung, welche der Steuerelektrode (23) ein veränderliches Potential zuführt, wodurch die Intensität des Elektronenstrahls (10) zu verändern ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich in Strahlrichtung Fokussierungseinrichtungen (34_S 37) und Einrichtungen (36) zur Querablenkung des Strahlenbündels an die Anode anschließen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Mehrfachanordnung der an beiden Enden offenen zylindrischen Anode und der zugeordneten Kathode, derart, daß sich die Elektronenstrahlbündel der einzelnen Kathoden-Anoden-Einheiten in einem Punkt bzw. in einer Linie treffen.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1. bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode ausgespart ist und daß eine Elektrode, die auf einem gegenüber der Kathode positiven Potential gehalten wird, auf der der Anode abgewandten Seite der Kathode vorgesehen ist, derart, daß einige der Ionen aus der Glimmentladung durch die Aussparung der Kathode hindurchgelangen, um einen Ionenstrahl zu bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen