DE1773242B2

DE1773242B2 - Mißgerät zur Ermittlung und Regelung der Verdampfungsgeschwindigkeit von im Vakuum verdampften Substanzen

Info

Publication number: DE1773242B2
Application number: DE19681773242
Authority: DE
Inventors: Bogdan Genf Zega (Schweiz)
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1967-04-21
Filing date: 1968-04-19
Publication date: 1974-01-10
Also published as: FR1577403A; DE1773242A1; CH490678A; JPS5212590B1; GB1194943A; DE1773242C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Ermittlung der Verdampfungsgeschwindtgkeit von in Form min-

destens eines Dampfstrahls in einer Vakuumkammer verdampften Substanzen mit Hilfe eines Elektronenstrahls mit einem in bezug auf den Dampfstrahl auf der entgegengesetzten Seite der Elektronenquelle angeordneten Elektronensammler, einem Stoßproduktesammler und mindestens einem außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Meßinstrument zum Messen mindestens eines Teiles des in dem Stoßproduktesammler fließenden Stromes.

Bei den bekannten Verfahren zum Messen der

6j Verdampfungsgeschwindigkeit ist zu unterscheiden zwischen den mittelbaren Verfahren, die auf einer Bestimmung der kondensierten Substanzmenge beruhen und zum Erhalten eines Maßes der Geschwindigkeit

einen anschließenden Ableilvurgang in bezug auf die Zeit erfordern, und den unmittelbaren Verfahren, die auf der Bestimmung einer an sich zu der Verdampfungsgeschwindigkeit in Beziehung stehenden Größe beruhen.

Die mittelbaren Verfahren, wie beispielswei^ce das Wiegen der an dem eigentlichen Substrat oder an einem Hilfsiubstrat abgelagerten Schicht auf der Mikrowaage oder die Bestimmung der Veränderung der Eigenfrequenz einer als Hilfssubstrat dienenden Quarzplatte, die sich allmählich mit einer Schicht der verdampften Substanz bedeckt, haben den Nachteil, daß sie eine periodische Reinigung des zum Messen dienenden Substrats erforderlich machen, was im allgemeinen dazu zwingt, das Vakuum aufzuheben oder zumindest die Verdampfungsanlage teilweise abzubauen. Die unmittelbaren Verfahren beruhen auf der Tatsache, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit in den meisten Fällen zu der numerischen Dichte der Atome oder Moleküle in Beziehung steht, die den Dampfstrahl bilden, der sich zwischen dem Tiegel, in welchem sich die zu verflüchtigende Substanz befindet, und dem Substrat aufbaut. Aus diesem Grunde beruhen alle unmittelbaren Verfahren zum Messen der Verdampfungsgeschwindigkeit auf einer Messung dieser Dichte. Dazu wird bei den bekannten Verfahren ein Teil der Atome mit Hilfe eines Ionisie-ungsmittels, meistens eines Elektronenstrahls, ionisiert und der Ionenstrom gemessen, der entsteht, wenn diese Ionen einem elektrischen Feld ausgesetzt weiden. Diese Art des Vorgehens stößt jedoch auf eine erhebliche Schwierigkeit, die sich daraus ergibt, daß die Elektronen nicht nur die Atome der Substanz, sondern auch die sich in der Bewegungsbahn des ionisierenden Elektronenstrahls befindenden Atome des Restgases ionisieren. Diese Verfahren gehen nämlich dahin, daß man ein Ionisierungsmeßgerät verwendet, dessen Gesamtanzeige in zwei Teile getrennt werden muß, von welchen sich einer auf die eigentliche verdampfte Substanz und der andere sich auf das Restgas bezieht. Denn nur in den seltenen Fällen, da das Vakuum in der Kammer sehr hoch ist, kann die Ionisierung infolge des Restgases vernachlässigt werden und kann man sich mit der Gesamtanzeige negnügen. In der Praxis jedoch gibt es immer eine Störwirkung auf Grund des Restgases. Von den diese Störwirkung beseitigenden bekannten Verfahren seien diejenigen genannt, bei welchen man zwei Ionisierungsmeßgeräte zu Hilfe nimmt, von welchen das eine von dem Dampfstrahl durchquert wird und die Gesamtionisierung mißt, während das andere außerhalb des Dampfstrahls angeordnet ist und nur die Ionisierung des Restgases mißt. Diese beiden Meßgeräte lassen je einen Ionenstrom entstehen, wobei man den Unterschied dieser Ströme feststellt, der nur von den Ionen der verdampften Substanz abhängig ist und also das Maß der Verdampfungsgeschwindigkeit darstellt. Diese Art des Vorgehens setzt jedoch voraus, daß die Emissionen der Kathoden bei beiden Meßgeräten genau die gleichen sind, und daß insbesondere ihre Temperaturen miteinander übereinstimmen, was besondere Vorkehrungen hinsichtlich der Stabilisierung der Heizung erforderlich macht. Um sich vor den Emissionsschwankungen der Kathoden zu schützen, nimmt man mitunter ein Doppelmeßgerät mit einer gemeinsamen Kathode zu Hilfe, bei welchem sich beim Feststellen des Unterschiedes der Ionenströme die Ionisierungsschwankungen auf Grund von Temperaturschwankungen von selbst aufheben. Nun sind sowohl bei zwei gesonderten Meßgeräten als auch bei einem Doppelmeßgerät die Ionenströme stetige Ströme, was auch für ihren Unterschied gilt, so daß sowohl das

eine als auch das andere dieser Verfahren unter den bei der Verstärkung von sehr schwachen Gleichströmen auftretenden Mangeln und Schwierigkeiten leidet.

Ein diese Mangel nicht aufweisendes anderes Ver-

fahren besteht darin, daß der das Ionisierungsmeßgerät durchquerende Dampfstrahl moduliert wird, und zwar indem man in seiner Bewegungsbahn eine Versehlußvorrichtung anordnet. Der durch das Meßgerät gelieferte Ionenstrom setzt sich dann aus einer von

dem Restgas herrührenden stetigen Komponente und einer von der verdampften Substanz herrührenden periodischen Komponente zusammen, deren Frequenz gleich der Frequenz der Unterbrechungen des Gasstrahls ist. Dieser periodische Strom ist also das

ao Maß für die Verdampfungsgeschwindigkeit. Er läßt sich bequem von der stetigen Komponente trennen, und seine Verstärkung ist viel leichter als die eines Gleichstroms. Jedoch bedingt dieses Verfahren die Anordnung eines beweglichen mechanischen oder

»5 elektromechanischen Teiles in der Vakuumkammer, was nicht ohne Schwierigkeiten ist. Außerdem ist das Teil gegenüber den durch die eigentliche Dampfquelle (insbesondere, wenn die Heizung durch Elektronenbeschuß erfolgt) erzeugten Ionen empfindlich, wobei

die Frequenz der periodischen Komponente niedrig ist, was die spätere Verstärkung dieser Komponente kompliziert.

Die vorerwähnten Mangel und Nachteile werden mit Hilfe der Erfindung behoben, indem ein Meßgerät

in Vorschlag gebracht wird, bei dem der Dampfstrahl periodisch dem Einfluß des Elektronenstrahls unterworfen wird, während das Restgas ihm ständig ausgesetzt ist. Dieses Meßgerät ist Gegenstand des obigen Anspruchs 1.

Zweckmäßige Weiterbildungen dieses Meßgeräts und eine Anwendung desselben zur Regelung der Verdampfungsgeschwindigkeit der in der Vakuumkammer verdampften Substanzen, sind Gegenstände der obigen Ansprüche 2 bis 10.

♦5 Drei Ausführungsformen des Meßgeräts, die je einer Durchführungsart des Verfahrens nach der Erfindung entsprechen, sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der ersten

Ausführungsform des Meßgeräts nach der Erfindung, Fig. la eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 2 ein Schema und zwei Diagramme, die die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform veranschaulichen,

Fig. 3 ein Schema und zwei Diagramme, die die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform veranschaulichen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung dieser zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 ein Schema und zwei Diagramme, die die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform in einem besonderen Verwendungsfall veranschaulichen,
Fig. 6 ein Schaltbild eines Teiles der elektroni-

sehen Schaltung nach Fig. 1 in einem besonderen Verwendungsfall,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der dritten Ausführungsform des Meßgeräts nach der Erfindung,

Fig. S ein Schema und zwei Diagramme, die die Arbeitsweise dieser dritten Ausführungsform veranschaulichen,

Fig. 9 ein Schema und zwei Diagramme, die die Arbeitsweise dieser dritten Ausführungsform in einem besonderen Verwendungsfall veranschaulichen.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßgerät besteht aus einer Elektronenkanone 1, einer Ablenkvorrichtung 2, einem F.lektronensammler 3 und einem Stoßproduklesammler 4. Der von der Elektronenkanone 1 ausgesandte feine, dünne Elektronenstrahl tastet unter Hinwirkung der Ablenkvorrichtung 2 den Teil 6 der durch die Achse 7 der Elektronenkanone 1 verlaufenden Ebene ab und bewegt sich abwechselnd aus eiiv.T extremen Stellung 5a in eine extreme Stellung Sb. wobei diese extremen Stellungen zur Achse 7 im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind. Der Teil 6 der Abtastebene ist so angeordnet, daß er von einem Dampfstrahl 8 durchquert wird, der von einem Tiegel 9 ausgeht und in einem zwischen den extremen Stellungen 5e und Sbdes Elektronenstrahls liegenden Hereich 11 mittels einer Blende 10 abgegrenzt ist. Die Klektroncnkanone 1, die Ablenkvorrichtung 2, die Sammler 3 und 4 sowie der Tiegel 9 und das Substrat 12. an welchem der Dampfstrahl 8 kondensiert, befinden sich im Inneren einer in der Zeichnung in Form eines gestrichelten Rechtecks 13 schematisch dargestellten Vakuumkammer. Zweckmäßigcrweise gibt man dem Elektronensammler 3 eine verhältnismäßig stark konkave Form und ordnet man den Stoßproduktesammler 4 unterhalb und vor dem Elekfronensammler 3 an. Dadurch wird der störende Einfluß der durch den Elektronenstrahl 5 bei seinem Aufprall auf den Elektronensammler 3 erzeugten Sekundärelektronen verringert. Außerhalb der Vakuumkammer 13 befinden sich die elektrischen Einrichtungen, und /war eine Stromquelle 15 für die Beheizung der Kathode 16 der Elektronenkanone 1, eine Stromquelle 17. die die Anodenspannung für die Anode 18 der Elektronenkanone 1 liefert, ein die beiden Ablenkplatten 2a und 2b der Ablenkvorrichtung 2 speisender Oszillator 19 und eine das an den Stoßproduktesammler 4 angelegte Potential erzeugende Stromquelle 20. Diese elektrischen Einrichtungen sind mittels nicht dargestellter Vakuumdurchführungen üblicher Bauart an die entsprechenden Elemente des Meßgeräts angeschlossen. Der Sammler 4 ist außerdem an den Haupteingang 22 eines Synchrondetcktnrs 21 angeschlossen, der über einen Hilfseingang 23 die durch den Oszillator 19 erzeugte periodische Abtastspannung erhält.

Dieser Synchrondetektor ist ein bekanntes Gerät, das aus dem an seinem Haupteingang erhaltenen Strom die stetige Komponente beseitigen kann und an seinem Ausgang nach gebührender Verstärkung und Filterung nur die periodische Komponente auftreten läßt, deren Frequenz zu der Frequenz des ihm über seinen Hilfseingang zugeführten Signals in Beziehung steht. Er hat ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis, welches ihn zur Feststellung eines schwachen Signals besonders geeignet macht. An den Ausgang

24 des Synchrondetektors 21 ist ein Strommeßgeräl

25 angeschlossen. Die Anode 18 der Elektronenkanone 1 und der Elcktronensammler 3 liegen beide an Masse und haben somit das gleiche Potential.

Das vorstehend beschriebene Meßgerät hat folernde Arbeitsweise: Solange sich der Elektronenstrahl 5 außerhalb des Dampfstrahls 8 befindet, er zeugt er durch Zusammenstoß mit dem Restgas Stoßproduktc, die durch den Sammler 4 aufgefangen werden und einen Strom von konstantem Wert f„ entstehen lassen. Sobald der Elektronenstrahl auf den Dampfstrahl trifft, läßt er viel zahlreichere Stoßprodukte entstehen, so daß der Strom des Sammlers 4 ansteigt und den Wert / erreicht, um darauf wieder auf den Wert i_n abzufallen, sobald sich der Elektronenstrahl über den Gasstrahl 8 hinausbewegt. Die gleiche Erscheinung tritt bei der Rückwärtsabtastung aus der Stellung Sb in Richtung auf die Stellung 5a auf. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, die von der Elektronenkanone 1 her gesehen einen Schnitt der Abtastebene 6 durch eine durch den

'5 Gasstrahl 8 und senkrecht zur Achse 7 der Elektronenkanone 1 verlaufende Ebene sowie ein Diagramm 30, welches die Stellung χ des Elektronenstrahls als Funktion der Zeit t veranschaulicht, und ein Diagramm 31 des Stromes i als Funktion der Zeit zeigt.

»° Es ist klar ersichtlich, wie bei jeder Durchquerung des Gasstrahls 8 der Elektronenstrahl die dem Grundstrom I₀ überlagerten Impulse / entstehen läßt. Der Deutlichkeit halber sind diese Impulse in Form von Rechteckimpulsen dargestellt, obwohl sie in Wirk-

^a5 lichkeit keine gerade Fronten haben. Fi g. 2 zeigt, daß die Frequenz der Impulse / das Zweifache der Abtastfrequenz beträgt, was die Bedeutung einer Zuhilfenahme eines Synchrondetektors, wie beispielsweise des Detektors 21, erklärt, um die stetige Komponente Z₁₁ aus dem lonenstrom in dem Stoßproduktesammler 4 zu beseitigen. Es kann zweckmäßig sein, zusätzlich zu dem Meßinstrument 25 mit unmittelbarer Ablesung (Mikro- oder Milliamperemeter) den aus dem Detektor 21 kommenden Strom aufzuzeichnen, und zwar mit Hilfe einer Aufzeichnungsvorrichtung 26, deren beliebige Bauart dadurch hervorgehoben wird, indem sie in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist. Fig. 1 betrifft den Fall, in welchem die unelastischen Stöße der Elektronen des Elektronenstrahls 5 verwendet werden und folglich die Stoßprodukte Ionen sind. Deshalb ist die Stromquelle 20 so angeschlossen, daß sie den Sammler 4, der in diesem Falle Ionen sammeln soll, gegenüber dem Elektronensammler 3 auf ein negatives Potential bringt.

♦5 Man kann aber auch die elastischen Zusammenstöße der Elektronen des Elektronenstrahls 5 verwenden. In diesem Falle bestehen die Stoßprodukte aus Elektronen des Elektronenstrahls 5, die zerstreut worden sind. In diesem Falle ist der Sammler 4 ein Sammler für zerstreute Elektronen, so daß er folglich gegenüber dem Sammler 3 auf ein positives Potential gebracht werden muß, was sich dadurch erzielen läßt, daß man die Stromquelle 20 umgekehrt anschließt, so daß ihr Minuspol an der Masse Hegt.

Fig. 1 bezieht sich außerdem auf e.in Beispiel, in welchem das Maß der Verdampfungsgeschwindigkeit, welches die periodische Komponente des Stromes des Sammlers 4 darstellt, verwendet wird zum Bewirken der Regelung der Verdampfung, indem die Heizung des Tiegels 9 dem Wert dieser Komponente zugeordnet wird. Aus diesem Grunde ist der Ausgang 24 des Synchrondetektors 21 außerdem an einen Servo- oder Nachlaufregler 27 angeschlossen, der in den Heizstromkreis 28 des Tiegels 9 eingeschaltet ist. Auf diese

Weise läßt sich eine sehr konstante Verdampfungsgeschwindigkeit erzielen, der man einen nach Belieben gewählten Wert V geben kann, der an dem Servoregler 27 angezeigt wird, was in Fig. 1 durch den Pfeil

29 dargestellt ist.

Es zeigt sich, daß dieses Meßgerät kein einziges bewegliches mechanisches Teil enthält. Es ist sehr einfach, wobei die ihm zugeordneten elektrischen Einrichtungen alle hinreichend bekannt sind. Trotz dieser Einfachheit ermöglicht es eine genaue Messung der Verdampfungsgeschwindigkeit und die Zuordnung der Verdampfungsgeschwindigkeit zu einem nach Belieben wählbaren eindeutig bestimmten Wert. Es liefert ein Signal mit hoher Frequenz und ist für in dem >° Tiegel erzeugte Ionen unempfindlich, verschmutzt nicht, wobei sich die Messung auf einen genau definierten Abschnitt des Dampfstrahls bezieht und aus diesem Grunde ein örtlich begrenztes Volumen betrifft.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Abtastung elektrostatisch ist. Selbstverständlich läßt sich die geradlinige Abtastung auch durch andere Mittel, beispielsweise auf magnetischem Wege, erzielen. Außerdem braucht die Abtastung nicht unbedingt als »* symmetrische Sägezahnabtastung zu erfolgen, obwohl dies bei der schematischen Darstellung nach F i g. 2 der Fall ist. Sie kann wellenförmig sein, was die Bauweise des Oszillators 19 vereinfacht. Sie kann auch eine asymmetrische Sägezahnabtastung mit Schnell- »5 rücklauf sein. Die einzige zu erfüllende Bedingung ist die, daß «Ve Frequenz / derart ist, daß die zwei aufeinanderfolgende Überquerungen des Dampfstrahls durch den Elektronenstrahl voneinander trennende Zeitspanne groß genug ist, damit der Schub der bei Jo der ersten Uberquerung erzeugten Stoßprodukte den Sammler 4 erreicht hat, bevor der bei der nächstfolgenden Überquerung erzeugte Schub ankommt.

An Stelle einer Abtastung auf einer Ebene (bei Betrachtung von der Elektronenkanone 1 her geradlinige Abtastung) kann eine Abtastung entlang eines Kegels (von der Kanone 1 her gesehen kreisförmige Abtastung) vorgesehen werden. In diesem Falle beschreibt der Elektronenstrahl, wie aus Fi g. 3 ersichtlich, die von der Elektronenkanone 2 her gesehen ei- nen Schnitt des Abtastkegels durch eine zur Achse 7 der Kanone senkrechte und durch den Dampfstrahl 8 verlaufende Ebene darstellt, einen Kreis 32, der an zwei Stellen 33 und 34 auf den Dampfstrahl 8 trifft, die in unterschiedlichem Abstand von dem Tiegel 9 liegen. Pro Umlauf entstehen zwei Impulse, und zwar ein erster Impuls I₁, der der Begegnung an der in der Nähe des Tiegels liegenden Stelle 33 entspricht und verhältnismäßig hoch und schmal ist, und ein zweiter Impuls I₂, der der Begegnung an der in einer größeren so Entfernung von dem Tiegel liegenden Stelle 34 entspricht und verhältnismäßig niedrig und breit ist. Dieser Unterschied ist der Tatsache zuzuschreiben, daß sich der Dampfstrahl mit seinem Entfernen von dem Tiegel bei gleichbleibender Dampfmenge verbreitert.

Bei dieser Kreisabtastung ist es zweckmäßig, dem Stoßproduktesammler 4 die Form eines Umdrehungskörpers, beispielsweise eines wie in Fig. 4 dargestellten zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Ringes 35, zu geben und ihn zu der Achse 7 zu zentrieren, in der Weise, daß er die abgetastete Kegelmantelfläche umgibt. Sein Radius muß so sein, daß sein Abstand von dieser Fläche das Unterscheiden der Impulse Z₁ und I₁ ermöglicht.

Die Ablenkvorrichtung 2 besitzt dann zwei im rechten Winkel zueinander orientierte Ablenkplattenpaare. Diese Ablenkplattenpaare können entweder, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, beide elektrostatische Ablenker oder beide magnetische Ablenker sein oder es kann gegebenenfalls auch ein gemischtes System sein, bei welchem einer der Ablenker elektrostatisch und der andere magnetisch ist. Diese beiden Ablenker sind je an einen der Ausgänge des Oszillators 19 angeschlossen, der zwei um 90° zueinander phasenverschobene Sinusspannungen liefert. Somit ist das Ablenkplattenpaar la, Ib des horizontalen Ablenkers an den Ausgang 56, das Ablenkplattenpaar 2c, Id des vertikalen Ablenkers art den Ausgang 37 angeschlossen, während letzteres außerdem an den Hilfseingang 23 des Synchrondetektors 21 angeschlossen ist.

Der verbleibende Teil des Meßgeräts ist unverändert und seine Arbeitsweise ist die gleiche, wie die an Hand von Fig. 1 beschriebene Arbeitsweise.

Ohne Rücksicht auf die verwendete Abtastart ist es zur Vermehrung der Empfindlichkeit des Meßgeräts wichtig, die Intensität des Stromes des Elektronenstrahls zu stabilisieren. Dazu ist der Elektronensammler 3, wie in Fig. la gezeigt, über eine Rückkopplungsleitung 38 an die Heizstromquelle 15 für die Kathode 16 angeschlossen. Dieser Sammler liegt nicht mehr an der Masse, sondern ist an eine Hilfsstromquelle 39 angeschlossen, die ihn auf ein gegenüber Masse positives Potential bringt.

Das Meßgerät nach Fig. 1 mit geradliniger Abtastung eignet sich zur Messung mehrerer Dampfstrahlen. Diese Abtastung ist in Fig. 5 veranschaulicht, die ein Schema nach Art des Schemas gemäß Fig. 2 ergibt, jedoch für den Fall, daß drei gesonderte Dampfstrahlen, und zwar die Strahlen 35a, 35b und 35c vorhanden sind.

Im Verlaufe der Abtastung trifft der Elektronenstrahl nacheinander auf diese Strahlen, wobei jedesmal ein Impuls des Stromes des Sammlers 4 entsteht. So entspricht der Impuls α dem Auftreffen auf den Strahl 35 a, der Impuls b dem Auf treffen auf den Strahl 35 b usw. Diese Impulse folgen im Verlaufe einer Abtastperiode in der Reihenfolge abccba, wobei an Stelle des einzigen Synchrondetektors 21 (Fig. 1) eine Detektorschaltung 40 (Fig. 6) vorgesehen werden muß, die aus drei Synchrondetektoren 41,42 und 43 besteht und der ein Weichensystem 44 vorgeschaltet ist, in der Weise, daß die Impulse sortiert und dem entsprechenden Synchrondetektor zugeführt werden. Das Weichensystem besteht aus drei Gattern 45, 46 und 47, die je durch eine bistabile Schaltung gesteuert werden, die an und für sich durch zwei Auslösekreise, beispielsweise zwei Schmitt-Kippschaltungen mit gestuften Auslöseschwellen, ausgelöst werden. So ist das Gatter 45 durch die bistabile Schaltung 48 gesteuert die an sich durch zwei Schmitt-Kippschaltungen 49i und 49b ausgelöst wird. Diese Schmitt-Kippschaltun gen erhalten über die Leitung 23 die Abtastspannung wobei die erste, 49a, so eingestellt ist, daß sie an spricht, wenn die Abtastspannung den Wert erreichi der einer links des Strahles 35a (Fig. 5) liegende! Stellung Jc₀ entspricht, während die zweite Kippschal tung 49b so eingestellt ist, daß sie anspricht, wen die Abtastspannung den Wert erreicht, der eine rechts des Strahles 35 a, jedoch links des Strahles 35 liegenden Stellung Jc₁ des Elektronenstrahls em spricht. Die Schmitt-Kippschaltungen 50a und 50 sind so eingestellt, daß sie ansprechen, wenn die Al tastspannung die der Stellung jc₂ bzw. x₃, die de Dampfstrahl 35 b abgrenzen, entsprechenden Wer erreicht, so daß die bistabile Schaltung 51 das Gatt

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46 in der Weise steuert, daß nur die Impulse b durch es hindurchgehen. Dies gilt in entsprechender Weise für die Schmitt-Kippschaltungen 52a, 526, die ansprechen, wenn der Elektronenstrahl die den Dampfstrahl 35c abgrenzenden Stellungen x_A bzw. x₅ erreicht und das Gatter 47 nur die Impulse c durchläßt. Auf diese Weise werden die Gatter 45, 46 und 47 aufeinanderfolgend so geöffnet und geschlossen, daß alle Impulse α (F ig. 5) dem Synchrondetektor 41, alle Impulse b dem Synchrondetektor 42 und alle Impulse c dem Synchrondetektor 43 zugeführt werden. Die an den Ausgängen 24a, 24b und 24c auftretenden Spannungen bilden also je ein Maß der numerischen Dichte der in den Dampfstrahlen 35a, 3Sb bzw. 35c enthaltenen Atome oder Moleküle. Diese Spannungen können also an ein Meßinstrument angelegt und/ oder aufgezeichnet und/oder dazu verwendet werden, die Heizung der Tiegel in der an Hand von Fig. 1 beschriebenen Weise zu regeln.

Im Vorstehenden wurde angenommen, daß die Dampfstrahlen 35a, 35f> und 35c aus gesonderten Quellen stammen und aus verschiedenen Dämpfen bestehen. Wenn diese Dampf strahlen dagegen aus einer gemeinsamen Quelle stammen, können die Ausgänge 24a, 24b und 24c vereinigt oder ein Synchrondetektor mit einem einzigen Kanal, wie beispielsweise der Detektor 21 nach Fig. 1 und 2, verwendet werden, jedoch muß dieser Detektor dann auf einer Frequenz synchronisiert werden, die gleich dem Produkt aus der Abtastfrequenz mal dem Zweifachen der Anzahl Dampfstrahlen ist. Bei einer gegebenen Abtastfrequenz/₀ erhält man somit sowohl im Falle der Vereinigung der Ausgänge 24a, 24b, 24c als auch im Falle der Verwendung eines Synchrondetektors mit einem einzigen Kanal Impulse mit der Frequenz 2 η /_u, bei welcher η die Anzahl der Dampfstrahlen ist. Die Tatsache, daß man auf diese Weise ein Signal mit höherer Frequenz erhält, kann wertvolle Vorteile haben.

Selbstverständlich sind für den Fachmann auch andere elektronische Detektorkreise und -schaltungen denkbar, ganz gleich, ob das Meßgerät zum Messen der Verdampfungsgeschwindigkeit ausgehend von einem einzigen Tiegel oder ausgehend von mehreren Tiegeln verwendet wird. Die in Fig. 7 dargestellte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den beiden vorgehenden Ausführungsformen in der Abtastung des Elektronenstrahls 5 und durch die den Querschnitt des Dampfstrahls 8 abgrenzende Blende 10. An Stelle einer Sägezahnabtastung nimmt man hier eine Vierkantwelienabtastung zu Hilfe, wie sie durch die Kurve 70 (Fig. 8), der zwischen den Ablenkplatten der Ablenkvorrichtung 2 angelegten Spannung dargestellt ist. Die Achse der Elektronenkanone 1 wird so angeordnet, daß der Elektronenstrahl 5 in einer seiner extremen Stellungen (5a) an dem Dampfstrahl 8 vorbeigeht und daß er in der anderen seiner extremen Stellungen (Sb) diesen Dampfstrahl durchquert. Die Blende 10 weist eine Öffnung 60 auf, die die Form eines krummlinigen Trapezes hat, wobei die beiden Basen 61, 62 zueinander konzentrische Kreisbogen sind, die zu dem Punkt 63 zentriert sind, der die Projektion der Schwingungsmitte 64 des Elektronenstrahls 5 in der Ebene der Blende 10 ist. Die beiden gradlinigen Seiten 65, 66 laufen in Richtung auf diesen Projektionspunkt zusammen. Daraus ergibt sich, daß der Schnitt durch den Dampfstrahl 8 in der Abtastebene (Ebene, in welcher sich der Elektronenstrahl 5 verstellt) ebenfalls die Form eines krummlinigen Trapezes hat, dessen Basen zu der Schwingungsmitte 64 des Elektronenstrahls zentrierte Kreisbogen sind. Schließlich hat der Elektronensammler 3 hier eine tiefe konkave Form, durch die die Gefahr von Störungen verringert wird, die sich aus der Sekundäremission auf Grund des Aufpralls des Elektronenstrahls 5 ergeben könnten. Außerdem ist es zweckmäßig, dem Elektronensammler 3 eine torische Form zu geben, indem man ihn in der Abtastebene krümmt, wie es auch zweckmäßig ist, den Stoßproduktesammler 4 zu krümmen, indem man ihm die Form eines Kegels gibt, dessen Achse zur Abtastebene senkrecht und durch den Schwenkungspunkt 64 verläuft.

Die Arbeitsweise dieses Meßgeräts ist in Fig. 8 schematisch dargestellt, in welcher die Kurve 70 die Veränderung der zwischen den Ablenkplatten der Ablenkvorrichtung 2 angelegten Abtastspannung als Funktion der Zeit, d. h. die Stellung des Elektronen-

Strahls 5 in bezug auf den Dampfstrahl 8 darstellt. Der durch den Stoßproduktesammler 4 gesammelte Strom i hat den durch die Kurve 71 dargestellten Verlauf. Dieser Strom besteht aus einem konstanten Strom i₀ infolge der Stoßprodukte, die der Elektro-

^a5 nenstrahl 5 erzeugt, wenn er in seiner Stellung 5a nur auf die Atome des Restgases trifft, dem sich ein periodischer Strom I₁ überlagert, der aus den Stoßprodukten herrührt, die der Elektronenstrahl erzeugt, wenn er in seiner Stellung 5b auf den Dampfstrahl trifft.

Somit schwankt der durch den Sammler 4 gesammelte Strom zwischen den Werten /₀ und / = Z₀ + /,. Der diesen Strom erhaltende Synchrondetektor 21 schaltet die stetige Komponente /₀ aus, so daß die Anzeige des Instruments 25 der periodischen Komponente i,

allein entspricht, deren Amplitudenveränderungen die Dichtenveränderungen des Dampfstrahls, also die Veränderungen der Verdampfungsgeschwindigkeit wiedergeben.

Die Abtastung durch Hin- und Herschwenken und die dem Querschnitt des Dampfstrahls gegebene Trapezform geben also diesem Meßgerät den dreifachen Vorteil, daß es gegenüber Zentrierfehlern der Achse der Elektronenkanone gegenüber dem Dampfstrahl sowie gegenüber Amplitudenschwankungen der Ab-

tastspannung unempfindlich ist und eine von den Randwirkungen unabhängige, sehr konstante Empfindlichkeit hat. Diese Vorteile sind besonders dann wertvoll, wenn die Messung der Verdampfungsgeschwindigkeit sehr genau und sehr gut reproduzierbar

sein soll.

Es leuchtet ein, daß man eine Abtastung durch Hin- und Herschwenken erhält, wenn man der Abtastspannung die Form von Rechteckwellen gibt. Die Verwendung von Vierkantwellen, die einen besonderen Fall

der Verwendung von Rechteckwellen darstellt, vereinfacht etwas die Schaltung des Abtastgenerators 19 und des Synchrondetektors 21.

Desgleichen ist klar, daß man bei mehreren zueinander parallelen Dampfstrahlen eine stufenförmige

Abtastung mit symmetrischem Rücklauf oder Schnellrückhuf zu Hilfe nehmen kann, die den Elektronenstrahl dazu zwingt, aufeinanderfolgend zwischen und in den Dampfstrahlen 35a, 35b, 35c stehenzubleiben, wie es die Kurve 30 nach Fig. 5

veranschaulicht, die mit Fig. 5 zu vergleichen ist. Jeder der Dampfstrahlen hat in diesem Falle einen trapezförmigen Querschnitt, wie er vorstehend an Hanc von Fig. 7 und 8 beschrieben worden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßgerät zur Ermittlung der Verdampfungsgesehwindigkeit von in Form mindestens eines Dampfstrahls in einer Vakuumkammer verdampften Substanzen mit Hilfe eines Elektronenstrahls mit einem in bezug auf den Dampfstrahl auf der entgegengesetzten Seite der Elektronenquelle angeordneten Elektronensammler, einem Stoßproduktesammler und mindestens einem außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Meßinstrument zum Messen mindestens eines Teiles des in dem Stoßproduktesammler fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle einen feinen, dünnen Elektronenstrahl (5) erzeugt, der einer am Ausgang der Elektronenquelle (1) angeordneten Ablenkvorrichtung (2) zugeordnet ist, durch die der Elektronenstrahl (5) unter der Einwirkung eines außerhalb der Vakuumkammer (13) angeordneten Ablenkgenerators (19) periodisch längs einer Abtastfläche bewegbar ist, von der ein Teil mindestens einen Teil des Dampfstrahls (8) schneidet, wobei der Stoßproduktesammler (4) außerhalb dieser Flache (6) angeordnet ist, und daß der Stoßproduktesammler (4) an den Eingang (22) einer Detektorschaltung (21) angeschlossen ist, die außerhalb der Vakuumkammer (13) liegt, und daß aus dem in dem Sammler (4) unter Einwirkung der gesammelten Stoßprodukte fließenden Strom die stetige Komponente ausgefiltert wird, so daß an ihrem Ausgang (24), an welchen das Meßinstrument (25) angeschlossen ist, nur die periodische Komponente dieses Stromes auftritt.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle aus einer Elektronenkanone (1) besteht.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Sammlung von Ionen als Stoßprodukten unelastischer Zusammenstöße der Elektronen des Elektronenstrahls (5) durch den Stoßproduktesammler (4) dieser gegenüber dem Elektronensammler (3) auf ein negatives Potential gebracht wird.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Sammlung von durch die Elektronen des Elektronenstrahls (5) zerstreuten Elektronen als Stoßprodukten elastischer Zusammenstöße der Elektronen des Elektronenstrahls durch den Stoßproduktesammler (4) dieser gegenüber dem Elektronensammler (3) auf ein positives Potential gebracht wird.

5. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (2) eine Ablenkvorrichtung mit geradliniger Abtastung ist, so daß der Elektronenstrahl (5) einen von dem Dampfstrahl (8) durchquerten Ebenenabschnitt (6) abtastet.

6. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung (2) eine Abtastvorrichtung mit Kreisabtastung ist, so daß der Elektronenstrahl (5) eine konische Umdrehungsfläche abtastet, deren Achse auf den Dampfstrahl (8) trifft und die von dem Dampfstrahl durchquert wird.

7. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz oder

Substanzen in Form von mindestens zwei Dampfstrahlen (35a, 35t, 35c) verdampft werden, wobei die Detektorschaltung aus einer Einheit mit mehreren unterschiedlichen Kanälen, in ihrer Anzahl gleich der Anzahl der Dampfstrahlen und einem elektronischen Synchronweichensystem (44) besteht, das den in dem Stoßproduktesammler fließenden Strom zyklisch jedem der Kanäle zufuhren kann, wobei das Weichensystem durch den Ablenkgenerator so gesteuert wird, daß die Reihenfolge der den Strom infolge der Stoßprodukte aufnehmenden Kanäle mit der Reihenfolge der durch den Elektronenstrahl (5) getroffenen Dampfstrahien (35a, 356, 35c) übereinstimmt, so daß das Meßgerät aufeinanderfolgend die Dampfgeschwindigkeit im Inneren mehrerer Dampfstrahlen messen kann.

8. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronensammler (3) an einen Regler für den durch die Elektronenkanone ausgesandten Strom angeschlossen ist, so daß die Intensität des Elektronenstrahls auf einem konstanten Wert gehalten wird.

9. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Generator (19) gelieferte Abtastspannung die Form einer Rechteckwelle hat, so daß der feine, dünne Elektronenstrahl in dem Ebenenabschnitt abwechselnd aus einer ersten Stellung (5a), in welcher er an dem Dampfstrahl (8) vorbeigeht, in eine zweite Stellung (Sb) schwenkt, in welcher er den Dampfstrahl durchquert, wobei der Querschnitt des Dampfstrahls an dem Ebenenabschnitt die Form eines krummlinigen Trapezes aufweist, dessen Basen zueinander konzentrische, zu dem Schwenkungspunkt (64) des Elektronenstrahls (5) zentrierte Kreisbogen sind und dessen Seiten zu den Kreisbögen radial verlaufen.

10. Anwendung des Meßgeräts nach den Ansprüchen 1 bis 9 zur Regelung der Verdampfungsgeschwindigkeit der in der Vakuumkammer verdampften Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Amplitude der periodischen Komponente gebildete Signal zum Steuern eines Reglers (27) verwendet wird, der die Beheizung für den Verdampfungstiegel (9), von welchem der Dampfstrahl (8) ausgeht, in der Weise regeln kann, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit einem vorgeschriebenen Sollwert zugeordnet ist.