DE1565897C2 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahles elektrisch geladener Teilchen, insbesondere Elektronenstrahles, zur Bearbeitung eines Werkstückes - Google Patents

Description

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müssen. Hinzu kommt, daß auch die Druckverhält- daß zwischen der Auslaßöffnung der Hochvakuumnisse noch eigens in Rechnung gestellt werden müs- kammer und der Durchtrittsöffnung zum, Bearbeiseri_r damit sich die obengenannte Druckverteilung er- tungsraum im Strahlenweg eine stegartige Diffusor-.; gibt, ,.λ "'.'-,., ."^,', 'Z-Z'' '\' Z^iZ-■■';'-■■■■'^r ι " platte angeordnet ist, die den freien Strahlendurch-

: ,Die -durch:'\<Jie':ySÄ:-iatent^hriftj3 171943 be- 5 tritt gewährleistet, den Gasstrom indessen unter Auskannte Vorrichtung dieser Art arbeitet nach völlig lenkung aus dem~ Strahlenweg weitgehend über unterschiedlichen Prinzipien. Sie besitzt einen Druck- beiderseits der Diffusorplatte frei bleibende Durchbehälter und eine an diesen Druckbehälter ange- trittsquerschnitte in der Zwischendruckkammer zerschlossene gekrümmte- rohrförmige Gasführung mit streut. ;

diskontinuierlichen. Querschnitt^ derart, daß bei io Im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen Austritt eines Gases aus demDruckbehälter im Be- dieser Art wird durch diese Vorrichtung eine erhebreich der Äustrittsöffrrang der Hochvakuumkammer liehe Verbesserung des Vakuums im Bereich der Kaein Druck erzeugt wird, der gleich oder kleiner dem thode erzielt, da der Gasstrom so zerstreut wird, daß Druck in der Hochvakuumkammer ist, so daß kein die mit der Zwischendruckkammer, in die die Ablen-Gas in die Hochvakuumkammer eindringen kann. 15 kung des Gasstromes erfolgt, in Wirkverbindung ste-Um zu vermeiden, daß die zum Werkstück gekehrte, hende Pumpe mit erheblich größerem Wirkungsgrad in der Gasführung ausgebildete Strahlauslaßöffnung das Gas herauspumpen und sein Eindringen in die durch Material, das vom Werkstück abgedampft ist, Hochvakuumkammer der Kathode unterbinden verstopft wird, sieht diese bekannte Vorrichtung zu- kann. Da die Diffusorplatte stegartig ist und folglich sätzlich einen quer zum Ladungsträgerstrahl gerich- ao nur einen kleinen Bereich der Zwischendruckkamteten Gasstrom hohen Druckes vor, durch den das mer abdeckt, werden die durch die Strahlendurchtrittsvom Werkstück abgedampfte Material seitlich, also öffnung der Zwischendruckkammer in die Zwinicht in" Richtung der Hochvakuumkammer, wegge- schendruckkammer strömenden Gase zu den Seiten spült wird. Abgesehen vom komplizierten Aufbau abgelenkt und zerstreut. Dadurch wird ihre Entferder Gasführung, bedarf diese Vorrichtung zusätzli- 25 nung durch die mit der Zwischendruckkammer in eher Gasbehälter und zusätzlicher Einrichtungen, um Wirkverbindung stehende Pumpe erleichtert. Das Erdie Strömungsgeschwindigkeit der beiden Gasströme gebnis ist, daß die in die Hochvakuumkammer einim gewünschten Sinne zu steuern. dringende Gasmenge wesentlich herabgesetzt wird.

Die deutsche Auslegeschrift 1117 793 beschreibt Die Diffusorplatte ist im einfachsten Fall als eine

ebenfalls eine Einrichtung zur Bearbeitung von Ge- 3° sich beiderseits des Strahlenweges erstreckende genständen oder Materialien mittels Ladungsträger- schmale Platte ausgebildet, die ein vom Strahl durchstrahlen, die ein aus konisch ineinandergeschalteten setztes Loch aufweist.

Zwischendruckkammern bestehendes Druckstufensy- Die Form der Diffusorplatte kann jedoch mannigstem aufweist, durch das der Ladungsträgerstrahl aus faltig sein und ist nicht auf die vorerwähnte Gestalt einem hochevakuierten Strahlerzeugungsraum in 35 beschränkt. Ist die Diffusorplatte beispielsweise als einen unter höherem Druck stehenden Bearbeitungs- ein einseitig des Strahles angeordneter auslegerartiger raum ausgeschleust und auf die zu bearbeitenden Ge- Arm ausgebildet, der eine den Strahl teilweise umgenstände gelenkt wird. Der Strahlerzeugungsraum schließende Ausnehmung aufweist, so bedarf es nur ist mit der in Strahlrichtung nächstfolgenden Zwi- einer Befestigung.

schenkammer durch eine Blende verbunden, welche 40 Sind in Strahlrichtung im Abstand voneinander mit einem verhältnismäßig langen, als Tohrförmiger zwei einander zugekehrte auslegerartige Arme mit Einsatz ausgebildeten Diffusionskanal versehen ist. den Strahl von entgegengesetzten Seiten teilweise Durch diesen Diffusionskanal wird zwar erreicht, umschließenden Ausnehmungen vorgesehen, so bedaß der Austritt des Ladungsträgerstrahles nicht be- sitzt diese Anordnung den Vorteil der zueinander hindert wird, der Diffusionskanal stellt jedoch nur 45 axialen Ausrichtung der beiden Teile,
bedingt einen hohen Strömungswiderstand für das Bei Durchtritt des Gases durch diese Ausnehmun-

durch diesen einströmende Gas dar, da der Gasstrom gen kann die Ablenkung des Gasstromes gefördert trotzdem dazu neigt,. längs der Strahlachse, also werden, wenn die freien Enden der Arme im Bereich durch den Diffusionskanal in die Hochvakuumkam- der Ausnehmungen auf der zu Räumen niederen mer, d. h. in die mit der Kathode versehene Kammer, 5° Drucks führenden Seite abgeschrägt sind,
einzudringen und deren Druck zu erhöhen. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des

Bei den bekannten Vorrichtungen, insbesondere Gegenstandes nach der Erfindung dargestellt. Darin bei der Vorrichtung nach der. USA.-Patentschrift zeigt

3 162749, hat sich gezeigt, daß eine erhebliche Ver- Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbesserung des Vakuums im Bereich der Kathode er- 55 beispiel nach der Erfindung,

zielbar ist, wenn dieser Gasstrom so verteilt bzw. zer- Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach

legt wird, daß die mit der Zwischenkammer, in der Fig. 1 sowie eine Seitenansicht der Hochvakuumdie Ablenkung bzw. Diffusion des Gasstromes er- kammer, welche die Elektronenstrahlquelle enthält,
folgt, in Wirkverbindung stehende Pumpe mit erheb- F i g. 3 eine Draufsicht auf ein zweites Ausfühlich größerem Wirkungsgrad das Gas herauspumpen ⁶° rungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung, und sein Eindringen in den Hochvakuumbereich der Fig.4 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach

Kathode unterbinden kann. Fig. 3, ,

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe Fig.5 eine Draufsicht auf ein drittes Ausfüh-,

zugrunde, die Ablenkung des Gasstroms aus der rungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung, Achse des Teilchenstrahls in konstruktiv einfacherer ⁶S Fig.6 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Weise zu verwirklichen. Fig. 5,

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei Fig. 7 eine weitere Seitenansicht der Vorrichtung

einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, nach Fig. 1.

In Fig.2 ist .-mit 1 eine Hochvakuumkammer be- Fig. 4 und 6 ersichtlich. Beim Ausführüngsbeispiei zeichnet, die eine in der Zeichnung nicht dargestellte nach den Fig.3 und 4 ist eine als vorspringender Elektronenstrahlquelle umgibt und ein Vakuum auf-^ Träger bzw. sogenannter Ausleger ausgebildete Dh> weist, das kleiner ist als 10-³. Torr. Dieses Vakuum- . fusorplatte 20 mit dem einen Seitenteil des konisch kammer dient zur Vermeidung einer Bogenzündung 5 ausgebildeten Elements 14 verbunden. Die Diffysorim Kathodenbereich und zur Erhöhung der Lebens- platte 20 weist eine kleine Durchbrechung 22 auf, die dauer der Kathode. Die Vakuumpumpe ist von übli- wenigstens teilweise den Elektronenstrahl 2 üm-/cher Beschaffenheit und in der Zeichnung nicht dar- schließt. Die Diffusorplatte ist. mit eineni mittig angestellt. Ein durch die Kathode erzeugter Elektro- geordneten erhabenen Teil versehenJ Di^₁ in F i g. 2 nenstrahl 2 tritt durch einen geschoßartig ausgebilde- 10 dargestellte Dif fusorplatte 6 kann auch¹ als "flache ten Bereichs und gelangt über eine Strahlaüslaßöff- Platte ausgebildet sehvln Fig.6 ist eine Diffusornung 5 in eine evakuierte Kammer 4. Die evakuierte platte dargestellt, die aus zwei Teilen 24, 26 zusam-Kammer4 wird durch eine in der Zeichnung nicht mengesetzt ist. Gemäß Fig.5 überlappen sich diese dargestellte übliche Vakuumpumpe auf einen Druck beiden Teile teilweise. Jeder dieser Teile weist eine herabgesetzt, der höher ist als der in der Hochvaku- 15 kleine Ausnehmung auf, so daß (s.Fig. 5) die Überumkammerl herrschende Druck. In Linie mit der lappung zu der in F i g. 2 dargestellten Dif fusorplatte Strahlaustrittsöffnung 5 und innerhalb der evakuier- führt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der ten Kammer 4 befindet sich eine stegartige Diffusor- zueinander axialen Ausrichtung der beiden Teile 24 platte 6, die eine zum'Durchtritt des Elektronenstrah- und 26. Die Ablenkung des durch die öffnung 8 einles geeignete Strahlauslaßöffnung 7 aufweist. In ao dringenden Gasstromes ist erheblich. Es ist nicht er-Elektronenstrahllängsrichtung befindet sich weiterhin forderlich, daß jeder dieser Teile teilweise mit einer eine in einer konischen Wandung der Kammer 4 an- Ausnehmung versehen ist, da es bereits genügt, wenn geordnete öffnung 8. Diese öffnung verbindet die der Teil 24 eine Durchbrechung aufweist, die mit Kammer 4 mit der Umgebung 9 eines Werkstückes dem Elektronenstrahl 2 fluchtet. In diesem Fall be-13. Zur Verbindung mit einer Hochdruckgasquelle 35 findet sich der Teil 26 axial im Abstand zum Teil 24 12 befindet sich benachbart zur öffnung 8 ein Rohr- und endet an einer zum Elektronenstrahl 2 benachstück 11. Diese Hochdruckquelle 12 dient zur Schaf- barten Stelle. Wenn jeder der Teile der Diffusorfung eines Gasstromes hohen Druckes, der in Rieh- platte nach Fig.6 mit einer zum Elektronenstrahl2 tung zum Werkstück 13 strömt und durch, die öff- benachbarten abgeschrägten Kante versehen ist, nung 8 tritt, um den Druckgradienten zwischen der 30 kann jede der Öffnungen der gezeigten Dif fusorplatte Werkstückumgebung 9 und der evakuierten Kam- mit einer Schräge versehen sein, so daß bei Durchmer 4 zu verstärken. Dieser Hochdruckgasstrom ver- tritt des Gases durch diese Öffnungen dessen Ablenbessert auch den in der Öffnung 8 herrschenden kung gefördert wird. Im Betrieb der aufgezeigten Druckgradienten. Darüber hinaus wird durch die Vorrichtung bewirken die Diffusorplatten eine erheb-Verwendung dieses Gasstromes hohen Druckes auch 35 liehe Verbesserung der in der Hochvakuumkammer 1 der Bereich des Druckgradienten reduziert, so daß herrschenden Druckverhältnisse. Die Druckverhältdie Streuung und Dämpfung des Elektronenstrahles nisse schwanken hierbei in Abhängigkeit vom Abnach seinem Austritt aus der Öffnung 8 um einen er- stand von der Öffnung 8. Ein zu geringer Abstand heblichen Betrag herabgesetzt wird. Trotz des Vor- von der Öffnung 8 kann zu einem Bereich hohen handenseins dieses Druckgradienten tritt ein Teil die- 40 Druckes unterhalb der Diffusorplatte führen, wohinses Gasstromes durch die Öffnung 8 in die evakuierte gegen· ein zu großer Abstand den Gasstrom in unge-Kammer4 ein und strömt längs einer normalerweise eigneter Weise verteilen kann. Bei geeigneter Einstelkoaxial zum Elektronenstrahl 2 ausgerichteten Linie. lung spaltet bzw. zerteilt die Diffusorplatte den Gas-Obgleich dieser Gasstrom wesentlich dicker ist als strom und verbessert dessen Ablenkung in der Kamder Elektronenstrahl 2, gelangt das Gas in die Kam- 45 mer, in der die Evakuierung des Gases erfolgt. Durch mer 1 und begrenzt dadurch das in dieser Kammer er- die Verwendung der vorstehend beschriebenen Diffuhältliche Vakuum. Zur Reduzierung dieses Gasstro- sorplatte kann das in der Kammer 1 herrschende Vames ist die Diffusorplatte 6 zwischen der Öffnung 8 kuum um den Faktor 10 verbessert und hierdurch und der Strahlaustrittsöffnung 5 angeordnet, so daß die Lebensdauer der Kathode erheblich erhöht werder Gasstrom um die Diffusorplatte 6 abgelenkt und 50 den. Darüber hinaus kann die Kammer 4 mit erhöhin die Kammer4 verteilt wird. Gemäß Fig. 1 deckt tem Wirkungsgrad evakuiert und die Kapazität der die Diffusorplatte 6 nur einen kleinen Bereich des zur Evakuierung der Kammer 1 dienenden Pumpe konisch ausgebildeten Teiles 14 ab. Deshalb werden, sogar reduziert werden. Sofern verschiedene Kamwie aus Fig.7 mit ihrer Ansicht auf die andere Sei- mern hintereinandergeschaltet sind, kann.jede dieser tenfläche der Diffusorplatte ersichtlich ist, die durch 55 Kammern mit einer Diffusorplatte versehen sein, was die Öffnung 8 nach oben strömenden Gase zu den zu einer Verbesserung der Pumpenkapazität für die Seiten abgelenkt und zerstreut. Die Ablenkung dieser derart angeordneten Kammern führt. Das Teil 14 Gase erleichtert ihre Entfernung durch die mit der kann auch als eine flache Platte ausgebildet sein, wo-Kammer4 in Wirkverbindung stehende Pumpe, wo- bei der ansonsten durch die Hochdruckquelle 12 verdurch die in die Hochvakuumkammer 1 eindringende 60 ursachte, quergerichtete Gasström durchwein ^! Rohr Gasmenge wesentlich herabgesetzt wird. Die Diffu- bewirkt wird, das unter einem Winkel mit der öffsorplatte ist mittels zweier Schrauben 15 mit dem nung 8 verbunden ist. Sofern als Quelle für die elekkonisch ausgebildeten Teil 14 verschraubt und weist irisch geladenen Teilchen eine im anomalen Glimmgemäß Fig.2 einen mittleren erhabenen Teil auf. entladungsbereich arbeitende Kathode dient, sind im Die Form der stegartigen Diffusorplatte kann man- 65 Kathodenbereich höhere DDrucke zwischen 10-³ und nigfaltig sein und ist nicht auf die in Fig. 2 gezeigte 1 Torr erwünscht. In diesem Fall ist die Bearbeitung Gestalt beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele für eines in einem Vakuum von z. B. 10-^ Torr angeorddie Ausbildung der Diffusorplatte sind aus den neten Werkstückes äußerst schwierig, da das die

Kathode umgebende Gas dazu neigt, in den Bereich
des Werkstückes zu strömen.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann
dann vorteilhaft und im Sinne einer Verbesserung
des Pumpenvorganges für die Hochvakuumkammer

verwendet werden, wenn die vorstehend beschriebene Diffusorplatte in geeignetem Abstand zu der Öffnung angeordnet wird, durch die der Elektronenstrahls in die mit der Diffusorplatte versehene Kam-5 mer eindringt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

■■"' i"': ; ■..■,.: '·■■ '■■"·."■ ν . . λ 2'■.-': w/, bestimmten höheren Druck evakuierten Zwischen- Patentansprüche: druckkammer,'in.dieder'.Strahl über eine Auslaßöff- 1 . . nung der Hochvakuumkammer eintritt und die in

1. Vorrichtung zur-Erzeugung eines Strahles einer Auslaßwandung eine in der Strahlachse lieelektrisch geladener Teilchen, insbesondere Elek- 5 gende Strahldurchtrittsöffnung zu einem Gasatmotronenstrahles, zur'Bearbeitung eines in einer Gas- Sphäre höheren Druckes besitzenden Arbeitsraum atmosphäre angeordneten Werkstückes, beste- aufweist, so daß ein Gasstrom aus der Gasatmohend aus einer Hochvakuumkammer, die wenig- Sphäre in Richtung auf die mit Abstufung niedere stens einen Teil der strahlerzeugeriden Einrich- Drücke aufweisenden Kammern eintritt, und außertung enthält, weiter aus einer zweiten, auf einen io dem aus einer Einrichtung zur weitgehenden Auslenbestimmten höheren Druck evakuierten Zwi- kung dieses Gasstromes aus dem Strahl der elektrisch schendruckkammer, in die der Strahl über eine" geladenen Teilchen.

Auslaßöffnung "der Hochvakuumkammer eintritt Aus der USA.-Patentschrift 3162 749 ist eine und die in einer Auslaßwandung eine in der Vorrichtung dieser Art bekannt, die in ihrer allge-Strahlachse liegende Strahldurchtrittsöffnung zu 15 meinsten Form folgendermaßen aufgebaut ist.
einem Gasatmosphäre höheren Druckes besitzen- Unter einer evakuierbaren Kammer, welche eine den Arbeitsraum, aufweist, so daß ein Gasstrom einen Strahl geladener Teilchen liefernde Quelle entaus der Gasatmosphäre in Richtung auf die mit hält und eine Austrittsöffnung für den Strahl gelade-Abstufung niedere Drücke aufweisenden Kam- ner Teilchen aufweist, ist ein in einer gasförmigen mern eintritt, und außerdem aus einer Einrich- so Atmosphäre befindlicher Träger für ein mit dem tung zur weitgehenden Auslenkung dieses Gas- Strahl geladener Teilchen zu bearbeitendes Werkstromes aus dem Strahl der elektrisch geladenen stück angeordnet. Im Bereich der genannten AusTeilchen, dadurch gekennzeichnet, trittsöffnung ist eine Einrichtung vorgesehen, mittels daß zwischen der Auslaßöffnung (5) der Hochva- derer ein Gasstrom, der durch die Austrittsöffnung kuumkammer (1) und der Durchtrittsöffnung (8) 35 auf Grund des größeren Außendrucks in die evakuzum Bearbeitungsraum im Strahlenweg eine steg- ierte Kammer einzutreten sucht, aus der Achse des artige Diffusorplatte (6, 20, 24, 26) angeordnet Strahls geladener Teilchen in Richtung auf eine die ist, die den freien Strahldurchtritt gewährleistet, Kammer evakuierende Pumpe abgelenkt wird, den Gasstrom indessen unter Auslenkung aus Durch diese im Bereich der Austrittsöffnung vorgesedem Strahlenweg weitgehend über beiderseits der 30 hene Einrichtung wird es darüber hinaus möglich, das Diffusorplatte frei bleibende Durchtrittsquer- zu bearbeitende Werkstück in geringem Abstand von schnitte in der Zwischendruckkammer (4) zer- der Austrittsöffnung anzuordnen, so daß der Strahl streut. der geladenen Teilchen in der das Werkstück umge-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- benden Atmosphäre so wenig wie möglich gedämpft kennzeichnet, daß die stegartige Diffusorplatte 35 wird.

als sich beiderseits des Strahlenweges erstrek- Die Einrichtung zur .Ablenkung des in die Kam-

kende schmale Platte (6) ausgebildet ist, die ein mer eintretenden Gasstroms ist dabei in verschiedevom Strahl (2) durchsetztes Loch (7) aufweist. nen Ausführungsformen realisierbar.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Einmal kann im Bereich der Austrittsöffnung eine kennzeichnet, daß die Diffusorplatte als einseitig 40 Düsenanordnung vorgesehen werden, welche senkdes Strahles angeordneter auslegerartiger Arm recht zur Achse des Teilchenstrahls einen Gasstrom (20) ausgebildet ist, der eine den Strahl (2) teil- in die Kammer einleitet, der seinerseits das durch die weise umschließende Ausnehmung (22) aufweist. Austrittsöffnung eintretende Gas in Richtung auf die

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- das Vakuum schaffende Pumpe ablenkt. Zum andekennzeichnet, daß in Strahlrichtung im Abstand 45 ren kann die Austrittsöffnung zusammen mit einer voneinander zwei einander zugekehrte ausleger- ihr gegenüberliegenden düsenartigen Anordnung an artige Arme (24, 26) mit den Strahl (2) von ent- der anderen Kammerwand geometrisch-konstruktiv

'gegengesetzten Seiten teilweise umschließenden so gestaltet werden, daß sich in dem durch die Aus-Ausnehmungen vorgesehen sind. trittsöffnung eintretenden Gasstrom eine derartige

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- 5° Folge von Druckmaxima und -minima ausbildet, daß kennzeichnet, daß die freien Enden der Arme im der Gasstrom insgesamt an der düsenartigen Anord-Bereich der Ausnehmungen auf der zu Räumen nung vorbei aus der Achse des Teilchenstrahls in niederen Drucks führenden Seite abgeschrägt Richtung auf die das Vakuum schaffende Pumpe gesind, lenkt wird. .

55 Es ist ersichtlich, daß bei der erstgenannten Ausführungsform die Ausgestaltung einer Düsenanordnung im Bereich der Austrittsöffnung einen zusätzli-

chen konstruktiven Aufwand darstellt. Darüber hinaus wird der Teilchenstrahl nicht nur durch den

. 60 durch die Austrittsöffnung eintretenden, sondern zu

sätzlich auch noch durch den aus der Düsenanord-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeu- nung austretenden Gasstrom beeinflußt,
gung eines Strahles elektrisch geladener Teilchen, Bei der zweitgenannten Ausführungsform ist der

insbesondere Elektronenstrahles, zur Bearbeitung konstruktive Aufwand ebenfalls erheblich, da sowohl eines in einer Gasatmosphäre angeordneten Werk- 65 die Austrittsöffnung als auch die ihr gegenüberliestückes, bestehend aus einer Hochvakuumkammer, gende düsenartige Anordnung geometrisch hinsichtdie wenigstens einen Teil der strahlerzeugenden Ein- Hch ihrer eigenen Ausgestaltung und ihrer gegenseitirichtung enthält, weiter aus einer zweiten, auf einen gen relativen Lage besonders ausgebildet werden