DE19815456C2 - Method for operating an electron gun - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Elektronenkanonen vom Axialtyp mit differentieller Pumpeinrichtung zur Druckentkopplung der Strahlerzeugungskammer von der Prozeßkammer. Derartige Elektronenkanonen werden für das Schmelzen, Verdampfen, Schweißen und Bearbeiten im Vakuum eingesetzt. DOLLAR A Das Druckgefälle zwischen Prozeß- und Strahlerzeugungskammer hat zur Folge, daß außer der Gasströmung von der Prozeß- zur Strahlerzeugungskammer auch kondensierbare Dämpfe des Prozeßmaterials in die Strahlerzeugungskammer transportiert werden. Bei leitfähigen Niederschlägen kommt es zur Ausbildung von Nebenschlüssen zwischen Hochspannung führenden Teilen, bei nichtleitenden zu Isolationsschichten zwischen Kontaktflächen. Erfindungsgemäß wird die Strahlerzeugungskammer mit einer Gaseinlaßvorrichtung verbunden, mit deren Hilfe der Druck in der Strahlerzeugungskammer auf konstante Werte eingestellt werden kann, nach einem Überschlag kurzzeitig abgesenkt und anschließend wieder langsam auf den ursprünglichen Einstellwert angehoben wird. DOLLAR A Die hauptsächlichen Anwendungsgebiete der Erfindung sind das Bedampfen von Substraten mit hoher Geschwindigkeit oder das Schmelzen von Blöcken mit hoher Oberflächengüte.The invention relates to axial-type electron guns with a differential pump device for decoupling the pressure of the beam generating chamber from the process chamber. Such electron guns are used for melting, evaporation, welding and processing in a vacuum. DOLLAR A The pressure drop between the process and jet generation chamber has the result that, in addition to the gas flow from the process to the jet generation chamber, condensable vapors of the process material are also transported into the jet generation chamber. In the case of conductive precipitation, shunts are formed between parts carrying high voltage, and in the case of non-conductive layers, there are insulation layers between contact surfaces. According to the invention, the jet generation chamber is connected to a gas inlet device, with the aid of which the pressure in the jet generation chamber can be set to constant values, briefly lowered after a rollover and then slowly raised again to the original setting value. DOLLAR A The main fields of application of the invention are the vapor deposition of substrates at high speed or the melting of blocks with high surface quality.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenkanone vom Axialtyp mit differentieller Pumpeinrichtung zur Druckentkopplung der Strahlerzeugungskammer von der Prozeßkammer. Derartige Elektronenkanonen werden für die verschiedensten elektronenstrahltechnologischen Prozesse, wie z. B. Schmelzen, Verdampfen, Schweißen oder Bearbeiten, eingesetzt. Bevorzugte Einsatzgebiete derartiger Elektronenkanonen im mittleren und oberen Leistungsbereich sind das Schmelzen von Metallen, um diese im Vakuum zu reinigen und das Verdampfen von Metallen und Metalloxiden.The invention relates to a method for operating an electron gun from Axial type with differential pump device for pressure decoupling of the Beam generation chamber from the process chamber. Such electron guns are used for a wide variety of electron beam processes, such as B. Melting, evaporation, welding or processing. Preferred Areas of application of such electron guns in the middle and upper power range are the melting of metals to clean them in a vacuum and that Evaporation of metals and metal oxides.
Elektronenkanonen vom Axialtyp bestehen aus einer oder mehreren Kammern. In der Strahlerzeugungskammer, auch Katodenkammer genannt, befindet sich das Strahler zeugersystem. Dieses wird dem jeweiligen Anwendungsgebiet und der erforderlichen Leistung angepaßt.Axial type electron guns consist of one or more chambers. In the The radiator is located in the beam generation chamber, also called the cathode chamber generation system. This is the respective area of application and the required Performance adjusted.
Üblicherweise wird bei Elektronenstrahlerzeugern für Prozesse mit hohem Restgas druck in der Prozeßkammer die Strahlerzeugungskammer separat evakuiert und die Druckentkopplung zwischen Prozeßkammer und Strahlerzeugungskammer durch einen in Strahlrichtung der Anode nachfolgenden Rohrwiderstand verstärkt, der zusätzlich zum Widerstand der Anodenbohrung als vakuumtechnischer Strömungswiderstand wirkt.Electron beam generators are usually used for processes with high residual gas pressure in the process chamber, the jet generating chamber is separately evacuated and the Pressure decoupling between the process chamber and the jet generation chamber by means of a subsequent tube resistance in the beam direction of the anode, which additionally to the resistance of the anode bore as a vacuum flow resistance works.
Der Elektronenstrahl wird durch die Anode und den Rohrwiderstand in die angrenzende Kammer eingeschossen. Diese Kammer ist entweder die Prozeßkammer oder eine bzw. mehrere, zwischen der Strahlerzeuger- und Prozeßkammer hintereinander angeordnete zusätzliche Kammern zur Erhöhung der Druckentkopplung, auch Druckentkopplungs- oder Zwischenkammern genannt. Jede dieser Zwischenkammern ist über Rohrwiderstände mit den benachbarten Kammern verbunden und wird separat evakuiert. Die separate Evakuierung und Verbindung der einzelnen Kammern einer Elektronenkanone wird als differentielle Pumpeinrichtung bezeichnet.The electron beam is passed through the anode and the tube resistor into the adjacent one Chamber shot. This chamber is either the process chamber or one or several, one after the other between the jet generator and process chamber arranged additional chambers to increase pressure decoupling, too Pressure decoupling or intermediate chambers called. Each of these intermediate chambers is connected to the neighboring chambers via pipe resistors and is separated evacuated. The separate evacuation and connection of the individual chambers The electron gun is called a differential pumping device.
Zur verlustarmen Führung des Elektronenstrahles durch die Rohrwiderstände besitzt die optionale Druckentkopplungskammer ein Gaseinlaßventil bzw. ein Druckregelsystem, um durch gezielte Ionisierung von Gasteilchen eine magnetische Gasfokussierung des Elektronenstrahles zu erreichen. In der Strahlerzeugungskammer wird bei Beschleunigungsspannungen bis etwa 50 kV üblicherweise ein Druck von weniger als 1 . 10-2 Pa gefordert, um die Häufigkeit von Hochspannungsüberschlägen in der Strahlerzeugungskammer gering zu halten. Beim Vorhandensein einer differentiell gepumpten Zwischenkammer ist es bei einem Prozeßkammerdruck von bis zu 5 Pa möglich, in der Strahlerzeugungskammer einen Druck von weniger als 1 . 10-2 Pa aufrechtzuerhalten.For low-loss guidance of the electron beam through the tube resistors, the optional pressure decoupling chamber has a gas inlet valve or a pressure control system in order to achieve magnetic gas focusing of the electron beam by targeted ionization of gas particles. A pressure of less than 1 is usually generated in the beam generation chamber at acceleration voltages up to approximately 50 kV. 10 -2 Pa required to keep the frequency of high voltage flashovers in the beam generation chamber low. In the presence of a differentially pumped intermediate chamber, it is possible at a process chamber pressure of up to 5 Pa to have a pressure of less than 1 in the jet generating chamber. 10 -2 Pa.
Das Druckgefälle zwischen Prozeß- und Strahlerzeugungskammer hat zur Folge, daß außer der Gasströmung von der Prozeßkammer zu Strahlerzeugungskammer auch kondensierbare Dämpfe des Prozeßmaterials in die Strahlerzeugungskammer transportiert werden. Diese Dämpfe schlagen sich an den Bauteilen des Strahlerzeugersystems und der Strahlerzeugungskammer nieder. Wenn es sich um leitfähige Niederschläge handelt, z. B. beim Schmelzen von Titan, kommt es zur Bildung von Nebenschlüssen zwischen Hochspannung führenden Teilen, die zum Aussetzen, Abschalten oder Ausfall der Elektronenkanone führen können. Setzen sich nichtleitende Schichten an Bauteilen des Strahlerzeugersystems ab bzw. bildet nichtleitendes Kondensat eine Isolationsschicht zwischen Kontaktflächen des Strahlerzeugersystems bzw. der Strahlerzeugungskammer, z. B. beim Umschmelzen von Silizium, kann es ebenfalls zum Ausfall der Elektronenkanone kommen.The pressure drop between the process and jet generation chamber has the consequence that in addition to the gas flow from the process chamber to the jet generation chamber condensable vapors of the process material into the jet generation chamber be transported. These vapors hit the components of the Beam generating system and the beam generating chamber down. If it is conductive precipitation is z. B. when melting titanium, formation occurs of shunts between high-voltage parts that are subject to exposure, Switching off or failure of the electron gun can result. Sit down depicts or forms non-conductive layers on components of the jet generator system non-conductive condensate an insulation layer between contact surfaces of the Beam generator system or the beam generating chamber, for. B. when remelting of silicon, the electron gun can also fail.
Es ist auch bekannt, eine Elektronenkanone, bestehend aus Strahlerzeugungskammer, Zwischenkammer zur Druckentkopplung und einer anschließenden Prozeßkammer, die alle über rohrförmige Strömungswiderstände verbunden sind, derart zu betreiben, dass jede der Kammern separat evakuiert wird. (DD 237 932 A1) Diese Elektronenkanone hat den Nachteil, dass beim Auftreffen von Dämpfen oder Teilchen während des mit der Elektronenkanone ausgeübten Prozesses sich auf den Teilen des Strahlerzeugungssystems Niederschläge bilden, die zum Ausfall der Elektronenkanone führen. Derartige Ausfälle sind besonders im Langzeitbetrieb, z. B. Schmelzen, von großem Nachteil.It is also known to use an electron gun consisting of a beam generation chamber, Intermediate chamber for pressure decoupling and a subsequent process chamber, the all connected via tubular flow resistors to operate in such a way that each of the chambers is evacuated separately. (DD 237 932 A1) This electron gun has the disadvantage that when vapors or Particles on the electron gun during the process Parts of the beam generating system form precipitates that lead to the failure of the Lead electron gun. Such failures are particularly in long-term operation, e.g. B. Melting, a big disadvantage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben von Elektronenkanonen vom Axialtyp zu schaffen, welches beim Auftreten prozeßbedingter Dämpfe oder Teilchen einen Ausfall des Strahlerzeugersystems weitgehend verhindert und Störungen im Langzeitbetrieb durch relativ einfache Maßnahmen vermeidet.The invention has for its object a method for operating To create electron guns of the axial type, which occurs when process-related Vapors or particles largely prevent failure of the jet generator system and disruptions in long-term operation avoided by relatively simple measures.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.According to the invention the object is achieved according to the features of claim 1. Advantageous embodiments of the method are in claims 2 and 3 described.
Erfindungsgemäß wird in der Strahlerzeugungskammer ein höherer Arbeitsdruck als der minimal erreichbare eingestellt und nach einem Überschlag, der auch bei minimal möglichem Arbeitsdruck in der Strahlerzeugungskammer auftritt, der Druck in der Strahlerzeugungskammer kurzzeitig abgesenkt und danach langsam wieder auf den ursprünglich eingestellten Wert erhöht, um mögliche Überschlagsserien zu verkürzen, die nach dem Zünden eines einzelnen Überschlages auftreten können und dann zu einem unerwünschten längeren Aussetzen der Elektronenkanone führen. Die kurzzeitige Absenkung des Druckes in der Strahlerzeugungskammer führt nur zu geringer Erhöhung der Menge des einströmenden Dampfes, da das Verhältnis zwischen den Zeiten niedrigen und erhöhten Druckes klein bleibt.According to the invention, a higher working pressure than in the jet generating chamber the minimum achievable set and after a rollover, even at minimal possible working pressure occurs in the jet generating chamber, the pressure in the Beam generation chamber lowered briefly and then slowly back to the originally set value increased to shorten possible rollover series, that can occur after igniting a single rollover and then to lead to an undesired prolonged exposure of the electron gun. The briefly lowering the pressure in the jet generation chamber only leads to little increase in the amount of incoming steam since the ratio remains small between times of low and increased pressure.
Es hat sich gezeigt, dass bei modernen Elektronenkanonen, die mit ölfreien Vakuumpumpen evakuiert werden, durch das Fehlen von Ölkontaminat in der Strahlerzeugungskammer die Überschlagsneigung zwischen Hochspannung führenden Teilen erheblich reduziert wird. Als Folge davon kann die Strahlerzeugungskammer mit höheren Drücken als bisher betrieben werden, ohne daß es zu Hochspannungsüberschlägen kommt. Vorteilhafterweise können Strahlerzeugungs kammern bei Beschleunigungsspannungen bis zu etwa 50 kV bei Erhöhung des Druckes auf bis zu 5 . 10-1 Pa ohne signifikante Erhöhung der Überschlagsneigung betrieben werden. Durch die gezielte Erhöhung des Druckes in der Strahl erzeugungskammer mittels einer Gaseinlaßvorrichtung um ca. zwei Zehnerpotenzen im Vergleich zum sonst erreichbaren Arbeitsdruck in der Strahlerzeugungskammer verringert sich das Druckgefälle zur angrenzenden Prozeß- bzw. Druckent kopplungskammer, was die Menge des in die Strahlerzeugungskammer einströmenden kondensierbaren Dampfes reduziert. Damit sinkt die durch Ablagerungen von leitenden bzw. nichtleitenden Schichten am Strahlerzeugersystem bzw. der Strahler zeugungskammer verursachte Aussetz- bzw. Ausfallrate der Elektronenkanone.It has been shown that in modern electron guns, which are evacuated with oil-free vacuum pumps, the absence of oil contaminants in the beam generation chamber considerably reduces the tendency to flashover over high voltage parts. As a result, the jet generation chamber can be operated at higher pressures than before without high voltage flashovers. Advantageously, beam generating chambers with acceleration voltages up to about 50 kV when the pressure is increased to up to 5. 10 -1 Pa can be operated without a significant increase in the tendency to roll over. By specifically increasing the pressure in the jet generation chamber by means of a gas inlet device by approximately two powers of ten compared to the otherwise achievable working pressure in the jet generation chamber, the pressure drop to the adjacent process or pressure decoupling chamber is reduced, which increases the amount of condensable steam flowing into the jet generation chamber reduced. This reduces the exposure or failure rate of the electron gun caused by deposits of conductive or non-conductive layers on the beam generator system or the radiation generator chamber.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine Elektronenkanone vom Axialtyp.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The associated Drawing shows a section through an axial type electron gun.
Die Elektronenkanone besteht aus einer Strahlerzeugungskammer 1, in der sich ein Strahlerzeugersystem 5 befindet, einer Druckentkopplungskammer 2, und einer Kammer 3, die ein Ablenksystem enthält. Die Kammer 3 ist vakuumtechnisch als Teil der Prozeßkammer 4 zu betrachten. Die Kammern 1; 2; 4 werden separat evakuiert und sind über Rohrwiderstände 7; 8 als vakuumtechnische Strömungswiderstände verbunden. Am Ende des Rohrwiderstandes 7, das der Strahlerzeugungskammer 1 zugewandt ist, befindet sich eine Anode 6, die zusätzlich als Strömungswiderstand wirkt. Der Abstand zwischen der Anode 6 und dem Strahlerzeugersystem 5 kann fest oder variabel sein. Die Strahlerzeugungskammer 1 ist mit einer Gaseinlaßvorrichtung 9 ausgestattet. Die Druckentkopplungskammer 2 besitzt zur verlustarmen Führung des Elektronenstrahles durch die Rohrwiderstände 7; 8 ebenfalls eine Gaseinlaß vorrichtung 10, um durch gezielte Ionisierung von Gasteilchen eine magnetische Gasfokussierung des Elektronenstrahles zu erreichen. Beide Gaseinlaßvorrichtungen 9; 10 sollten vorteilhafterweise Teil eines Druckregelsystemes sein.The electron gun consists of a beam generation chamber 1 , in which a beam generator system 5 is located, a pressure decoupling chamber 2 , and a chamber 3 , which contains a deflection system. In terms of vacuum technology, the chamber 3 is to be regarded as part of the process chamber 4 . The chambers 1 ; 2 ; 4 are evacuated separately and are via pipe resistors 7 ; 8 connected as vacuum flow resistances. At the end of the tube resistance 7 , which faces the jet generation chamber 1 , there is an anode 6 , which additionally acts as a flow resistance. The distance between the anode 6 and the jet generator system 5 can be fixed or variable. The jet generating chamber 1 is equipped with a gas inlet device 9 . The pressure decoupling chamber 2 has low-loss guidance of the electron beam through the tube resistors 7 ; 8 also a gas inlet device 10 to achieve magnetic gas focusing of the electron beam by targeted ionization of gas particles. Both gas inlet devices 9 ; 10 should advantageously be part of a pressure control system.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt ausgeübt:The process according to the invention is carried out as follows:
Bei geschlossenen Gaseinlaßvorrichtungen 9; 10 werden alle Vakuumkammern 1; 2; 3; 4 miteinander verbunden und durch zugehörige Vakuumpumpen separat evakuiert. In der Strahlerzeugungskammer 1 und der Druckentkopplungskammer 2 stellt sich ein Basisdruck ein, der aufgrund der Gasströmung durch die Rohrwiderstände 7; 8 vom Druck in der Prozeßkammer 4 abhängig ist. Übliche Basisdrücke der Strahlerzeugungskammer 1 sind kleiner als 1 . 10-2 Pa, die der Druckentkopplungs kammer 2 kleiner als 1 . 10-1 Pa.When the gas inlet devices 9 ; 10 , all vacuum chambers 1 ; 2 ; 3 ; 4 connected to each other and separately evacuated by associated vacuum pumps. In the jet generation chamber 1 and the pressure decoupling chamber 2 , a base pressure is established which, due to the gas flow through the tube resistors 7 ; 8 is dependent on the pressure in the process chamber 4 . Usual base pressures of the jet generation chamber 1 are less than 1. 10 -2 Pa, the pressure decoupling chamber 2 less than 1. 10 -1 Pa.
Ist der Basisdruck der Strahlerzeugungskammer 1 erreicht, wird durch Öffnen der Gaseinlaßvorrichtung 9 der Druck in der Strahlerzeugungskammer 1 auf den Arbeitsdruck angehoben. Der Arbeitsdruck der Strahlerzeugungskammer 1 ist vorteil hafterweise im Bereich von 5 . 10-1 Pa bis 1 . 10-2 Pa zu wählen. Zur Erzielung einer magnetischen Gasfokussierung des Elektronenstrahles wird der Arbeitsdruck in der Druckentkopplungskammer 2 mit Hilfe der Gaseinlaßvorrichtung 10 vorteilhafterweise ebenfalls auf einen Wert im Bereich von 5 . 10-1 Pa bis 1 . 10-2 Pa eingestellt. Damit reduziert sich der durch eine Druckdifferenz zwischen Strahlerzeugungskammer 1 und Druckentkopplungskammer 2 hervorgerufene und von der Anode 6 auf das Strahlerzeugersystem 5 gerichtete Gas- oder Dampf- bzw. Teichenstrom auf ein Minimum.When the base pressure of the jet generation chamber 1 is reached, the pressure in the jet generation chamber 1 is raised to the working pressure by opening the gas inlet device 9 . The working pressure of the jet generating chamber 1 is advantageously in the range of 5. 10 -1 Pa to 1. 10 -2 Pa to choose. In order to achieve magnetic gas focusing of the electron beam, the working pressure in the pressure decoupling chamber 2 is advantageously also adjusted to a value in the range of 5 with the aid of the gas inlet device 10 . 10 -1 Pa to 1. 10 -2 Pa set. Thus, the caused by a pressure difference between the beam generating chamber 1 and pressure decoupling chamber 2 and directed from the anode 6 to the beam generating system 5 gas or vapor or pond current is reduced to a minimum.
Bei stabilem Arbeitsdruck in der Strahlerzeugungskammer 1 wird das Strahlerzeuger system 5 eingeschaltet. Tritt nun im Betrieb ein Hochspannungsüberschlag auf, wird die Gaseinlaßvorrichtung 9 der Strahlerzeugungskammer 1 sofort geschlossen, um ihren Druck schnellstmöglich auf den Basisdruck abzusenken und dadurch mögliche Überschlagsserien zu verkürzen, die nach dem Zünden eines einzelnen Überschlages auftreten können und dann zu einem unerwünschten längeren Aussetzen der Elektronenkanone führen. Tritt innerhalb einer bestimmten Zeitspanne kein weiterer Hochspannungsüberschlag auf, wird der Druck in der Strahlerzeugungskammer 1 mit Hilfe ihrer Gaseinlaßvorrichtung 9 langsam auf den ursprünglich eingestellten Wert angehoben. Die kurzzeitige Absenkung des Druckes in der Strahlerzeugungskammer 1 führt nur zu geringer Erhöhung der Menge des einströmenden Gases bzw. Dampfes, da das Verhältnis zwischen den Zeiten niedrigen und erhöhten Druckes klein bleibt. Die erreichte Reduzierung des in die Strahlerzeugungskammer 1 eintretenden Gas- oder Dampf- bzw. Teilchenstromes verringert Störeinflüsse am Strahlerzeugersystem 5 durch den Niederschlag von leitfähigen oder isolierenden Schichten.When the working pressure in the jet generating chamber 1 is stable, the jet generator system 5 is switched on. If a high-voltage flashover occurs during operation, the gas inlet device 9 of the jet generating chamber 1 is closed immediately in order to lower its pressure to the base pressure as quickly as possible and thereby shorten possible flashover series which can occur after the ignition of a single flashover and then to an undesired prolonged exposure of the Lead electron gun. If no further high-voltage flashover occurs within a certain period of time, the pressure in the jet generating chamber 1 is slowly raised to the originally set value with the aid of its gas inlet device 9 . The short-term lowering of the pressure in the jet generation chamber 1 only leads to a slight increase in the amount of the inflowing gas or steam, since the ratio between the times of low and increased pressure remains small. The reduction achieved in the gas, steam or particle flow entering the jet generation chamber 1 reduces interference on the jet generator system 5 due to the precipitation of conductive or insulating layers.
Zur effektiven Realisierung der notwendigen Druckänderungen sollte insbesondere die Gaseinlaßvorrichtung 9 der Strahlerzeugungskammer 1 Teil eines automatischen Druckregelsystemes sein.In order to effectively implement the necessary pressure changes, in particular the gas inlet device 9 of the jet generation chamber 1 should be part of an automatic pressure control system.
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Schiller/Heisig/Panzer, Elektronenstrahltechno- logie, Wiss. Verlagsgesellschaft Stuttgart 1977, S. 101-116 * |
Also Published As
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