DE2206995C3 - Vorrichtung zum Erwärmen von Stoffen mittels gebündelter Elektronenstrahlen im Vakuum - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Stoffen mittels gebündelter Elektronenstrahlen im Vakuum, vorzugsweise zum Verdampfen von Stoffen zur Erzeugung dünner Schichten, bestehend aus einer beheizbaren Katode, Fokussierungsmitteln und elektromagnetischen Ablenkmitteln zur Umlenkung und Führung des Strahlenbündels auf bogenförmigen Bahnen in einem Winkelbereich von 90° und größer auf eine Zielfläche, wobei die Ablenkmittel aus mindestens zwei Polschuhsystemen für die Ausbildung unterschiedlicher Magnetfelder bestehen, von denen das Hauptpolschuhsystem in der Weise ausgebildet ist, daß dessen Feldstärke mit wachsendem Krümmungsradius der jeweils in einer Ebene verlaufenden bogenförmigen Elektronenstrahlbahnen abnimmt, und von denen das Hilfspolschuhsystem von der Zielfläche aus gesehen hinter der Katode angeordnet ist. Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-PS 34 46 934 bekannt.

Durch die DT-PS 19 36 434 ist ein Elektronenstrahlerzeuger bekannt, der eine längliche Katode besitzt, von der ein Elektronenstrahl ausgeht, dessen Querschnitt sich am Anfang der bogenförmigen Bahn beträchtlich von der Kreisform unterscheide«. Die geometrische Anordnung der Polschuhelemente erfüllt bei der bekannten Anordnung vornehmlich den Zweck, das ursprünglich bandförmige Elektronenstrahlbündel allmählich in ein solches von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt umzuwandeln. Durch diese und die US-PS 31 77 535 ist es bekannt, daß man durch die Anwendung konkaver Magnetfelder bzw. des konkaven Teils eines symmetrischen Mangetfeldes die Konvergenz von ursprünglich breiten Elektronenstrahlbündeln erzwingen kann.

Durch die US-PS 34 46 934 ist es ferner bekannt, ein Polschuhsystem für die Ablenkung von bogenförmig geführten Elektronenstrahlen so auszubilden, daß zusammengesetzte bi.w. überlagerte Magnetfelder entstehen. Dabei ist ein besonderes Polschuhsystem von der Zielfläche des Elektronenstrahlbündels aus gesehen hinter der Katode angeordnet. Die Achse dieses zusätzlichen Polschuhsystems ist senkrecht angeordnet, wobei der einzige von dem freien Schenkel des Magnetjochs gebildete Polschuh auf das bandförmige Elektronenstrahlbündel gerichtet ist. Durch unterschiedliche Erregung des zusätzlichen Polschuhsystems wird erreicht, daß der Auftreffpunkt des Elektronenstrahlbündels auf der Zielfläche wandert. Die bekannte Anordnung dient somit zur Steuerung des Elektronenstrahlbündels, d. h. zum Zwecke des Bestreichens eines größeren Teils der Zielfläche. Die sich gegenüberliegenden Polschuhe bilden dort einen zum Strahlenbündel hin geöffneten Keil.

Bei den bekannten Elektronenstrahlerzeugern wurde nun beobachtet, daß ein Teil der von der Katode emittierten Strahlelektronen von den Ablenkmagnetfeldern nicht genügend beeinflußt und auf die Zielfläche gelenkt wird. Die »verirrten« Strahlelektronen treffen infolgedessen auf Vorrichtungsteile und erzeugen dort Wärme, die durch besondere Kühleinrichtungen abgeführt werden muß. Dabei läßt sich naturnotwendig nicht vermeiden, daß dieser Wärmeanteil für den eigentlichen Prozeß verloren ist. Außerdem erfolgt durch die »verirrten« Elektronen eine Gasdesorption, die insbesondere in Ultrahochvakuumanlagen unerwünscht ist. Der Hauptgrund für das mangelhafte Konvergieren des Elektronenstrahlbündels ist in diesem selbst zu suchen. Ohne Vorhandensein eines Ablenkmagnetfeldes würde sich der Elektronenstrahl unter der Wirkung einer Fokussierungselektrode und einer Beschleunigungsanode geradlinig ausbreiten, wobei sich jedoch infolge des für eine bestimmte Leistung erforderlichen Katodenquerschnitts kein beliebig kleiner Strahlquerschnitt erzeugen läßt, der auch noch auf dem gesamten Strahlweg konstant bleibt. Vielmehr stellt sich durch die abstoßenden Raumladungskräfte im Elektronenstrahl ein schwach divergierendes Bündel mit endlichem Strahlquerschnitt ein. Wird ein solches Strahlenbündel einem quer zu dessen Achse gerichteten Magnetfeld ausgesetzt, so wird es je nach der Polschuhausbildung und der Feldstärke mehr oder weniger stark auf mehr oder weniger kreisbogenförmige Bahnen umgelenkt.

Für die Strahlelektronen in der Symmetrieebene der Umlenkung stellen sich hierbei Elektronenbahnen mit kleinerem und größerem Radius ein. Unter »Radius« bzw. »kreisförmig« sollen im vorstehenden Zusammenhang nicht unbedingt geometrisch exakte Begriffe ver-

standen werden. Vielmehr dienen diese Begriffe zur Beschreibung des wesentlichsten Verlaufs von Elektronenstrahlen bzw. -strahlbündeln. Das Elektronenstrahlbündei ist in bezug auf die der Betrachtung zugrunde gelegte Symmetrieebene nach beide.) Seiten begrenzt, wobei die Begrenzungslinie bzw -fläche mit dem kleineren Radius als Innenkante und diejenige mit dem größeren Radius als Außenkante bezeichnet wird.

Für die Strahlelektronen quer zu der angegebenen Symmetrieebene ergeben sich je nach Anordnung des PolschKisystems und der Krümmung der magnetischen Feldlinien fokussierende oder defokussierende Kräfte, die den Strahlquerschnitt senkrecht zur Umlenkebene mehr oder wf.niger bündeln. Hier kann durch entsprechende Polschuhformen ein Einfluß, ausgeübt werden, wie er vom Stande der Technik her bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ein Ablenkmagnetsystem anzugeben, mit dem t!Je sich ansonsten verirrenden Strahlelektronen ebenfalls so beeinflußt werden, daß sie zusammen mit den anderen Elektronen unter Bildung eines möglichst kleinen Brennflecks auf der Zielfläche auftreffen. Die Zielfläche ist dabei gleichzusetzen mit der Oberfläche des zu erhitzenden Gutes. Die Vermeidung der den bekannten Vorrichtungen anhaftenden Nachteile und die Lösung der gestellten Aufgabe werden bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung dadurch erzielt, daß erfindungsgemäß das Hilfspolschuhsystem mit zur Ebene der bogenförmigen Bahnen senkrecht ausgerichteter Achse angeordnet ist und aus zwei spiegelbildlich zu dieser Ebene angeord neten Polschuhen besteht, die mit je einem Polschuh des Hauptpolschuhsystems in magnetischer Verbin dung stehen und deren sich gegenüberliegende Austrittsflächen der magnetischen Feldlinien einen in Richtung auf das Strahlenbündel geöffneten Keil bilden.

Die Anordnung des Hilfspolschuhsystems »von der Zielfläche aus gesehen hinter der Katode«, bedeutet, daß das Hilfspolschuhsystem hinter einer durch die Katode in Austrittsrichtung der Elektronen gelegten Symmetrieachse angeordnet ist. Die durch die Katode gelegte Symmetrieachse verläuft bei haarnadelförmiger Ausbildung der Katode parallel zu den Schenkeln bzw. Einspannenden und steht damit senkrecht zur Emissionsfläche, falls diese eben ist. Bei zu einer Spitze gebogener Err issionsflache verläuft die Symmetrieachse durch den Scheitelpunkt der Biegung. Bei kreissymmetrischer Ausbildung der Fokussierungselektrode, d. h. bei Verwendung eines Wehneltzylinder, fällt die Symmetrieachse der Katode mit der Achse des Wehneltzylinder zusammen. Bei unbeeinflußtem Verlauf der Elektronenstrahlen ist die Symmetrieachse dann auch mit der Strahlachse identisch.

Der Keilwinkel zwischen den Austrittsflächen schließt in vorteilhafter Weise einen Winkel zwischen 60 und 120°, vorzugsweise zwischen 80 und 100°, ein. Die räumliche Anordnung des Hilfspolschuhsystems ist in bezug auf die Strahlführung dann besonders günstig, wenn die Flächennormalen der Austrittsflächen des Hilfspolschuhsystems senkrecht oder annähernd senkrecht zu dem am nächsten liegenden Abschnitt der Strahlbündelachse verlaufen. Bei einer 180°-Strahlablenkung ist daher das Hilfspolschuhsystem auf etwa Vj bis ²/3 der Distanz zwischen der Katode und dem Kulminationspunkt der bogenförmigen Achse des Strahlenbündels angeordnet.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands und seine Wirkungsweise seien nachfolgend an Hand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine vollständige Vorrichtung mit einer Strahlablenkung von 180°,

F i g. 2 eine Seitenansicht mit teilweiser Wegnahme von sichtbehindernden Bauteilen.

In F i g. 1 ist mit 1 ein wassergekühlter, drehbarer Tiegel mit vier einzelnen Näpfen 2 bis 5 bezeichnet, deren Mittenachsen auf einem zur Drehachse 6 des Tiegels konzentrischen Kreis V angeordnet sind. Zur ίο Fokussierung und Umlenkung des Elektronenstrahibündels ist ein Paar von blockförmigen Polschuhen 8 und 9 vorgesehen, die mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung 10 bzw. 11 versehen sind. Die Mantellinien der kegelstumpfförmigen Ausdrehungen haben dabei einen solchen öffnungswinkel, daß der bei der Verwendung der Vorrichtung als Elekironenstrahlverdampfer aufsteigende Dampfstrahl nicht behindert wird bzw. nicht auf den Polschuhflächen kondensiert. Die Polschuhe 8 und 9 besitzen je eine abgeschrägte Fläche 12 bzw. t3, die zusammen einen etwa V-förmigen Kanal bilden. Die Polschuhe b und 9 mit den Flächen 12 und 13 stellen zusammen das Hauptpolschuhsystem dar, bei dem die Flächen 12 und 11 eine wesentliche Rolle für die Führung des Elektronenstrahlbündels spielen. Durch die Ausbildung des Polschuhsystems wird ein Magnetfeld erreicht, dessen Feldstärke in der Ebene der bogenförmigen Bahnen von der Innenkante des Strahlenbündels zu dessen Außenkante hm abnimmt. Dies stellt sich gedanklich so dar, daß die Dichte der Feldlinien am Grunde des V-förmigen Kanals am größten ist, in Richtung auf den Betrachter der F i g. 1 jedoch abnimmt.

In der Darstellung gemäß F i g. 1 nimmt der Nap! 2

eine solche Position ein, daß er bzw. sein Inhalt die Zielfläche für ein aus der öffnung 14 austretendes Elektronenstrahlbündel darstellt. Das Elektronenstrahlbündel wird im Innern einer Strahlerzeugungskammer 15 erzeugt. Die Symmetrieachse der Katode, die zentrisch

im Innern der öffnung 14 liegt, ist senkrecht auf den Betrachter gerichtet.

Mit den Polschuhen 8 und 9 stehen abgewinkelte, zueinander spiegelbildlich angeordnete Bügel 16 und 17 in magnetischer Verbindung, die ein Hilfspolschuhsystem 18 bilden, dessen beide Polschuhe 19 und 20 von der Zielfläche bzw. dem Napf 2 aus gesehen hinter der Symmetrieachse der Katode bzw. der öffnung 14 liegen. Die sich gegenüberliegenden Enden der Polschuhe 19 und 20 bilden Austrittsflächen 21 und 22, die einen in Richtung auf die öffnung 14 geöffneten Keilwinkel einschließen. Der öffnungswinkel beträgt im vorliegenden Falle 90°.

Die sich innerhalb des Hilfspolschuhsystems ausbildenden Feldlinien sind gestrichelt dargestellt. Ihre Dichte ist in der Nähe der sich am nächsten gegenüberstehenden Kanten der Polschuhe 19 und 20 am größten und nimmt in Richtung auf die öffnung 14 allmählich ab. Da das durch die strichpunktierte Linie in F i g. 2 angedeutete Strahlenbündel 23 in Richtung auf den Napf 2 bogenförmig verläuft, ist durch die Ausbildung Co der Polschuhe 19 und 20 in F i g. 1 erreicht, daß die Feldstärke in der Ebene der bogenförmigen Bahnen von der Außenkante des Strahlenbündels zu dessen Innenkante hin abnimmt.

In F i g. 2 sind gleiche Teile wie in F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Innerhalb der Strahlerzeugungskammer 15 befindet sich — hier nur symbolisch dargestellt — eine elektrisch beheizbare Katode 24, deren Emissionsfläche 25 von einer Fokussierungs-

elektrode 26 in Form eines Wehneltzylinders umgeben ist. Die Symmetrieachse dieser Anordnung fällt mit dem anfänglichen Verlauf der Achse des Strahlenbündels 23 zusammen. Das Strahlenbündel 23 beschreibt im wesentlichen einen Kreisbogen und trifft innerhalb des Napfes 2 auf die Zielfläche bzw. das zu beheizende oder verdampfende Material auf. Die auf Erdpotential liegende Kammerwand 56 ist gleichzeitig Beschleunigungsanode. Sie enthält die öffnung 14 für den Durchtritt des Elektronenstrahlbündels 23. |_O

Der Tiegel 1 ist um die vertikale Drehachse 6 (Fig. 1) drehbar angeordnet. Zur Herbeiführung der Drehbewegung dient ein Zahnkranz 27 in Verbindung mit einem nicht dargestellten Ritzel. Der Tiegel ist hohlwandig ausgeführt und auf einem hohlen Lagerzapfen 28 befestigt, der auch zur Hin- und Rückleitung der Kühlflüssigkeit dient. Der Lagerzapfen 28 ist an einem Flansch 29 befestigt, der zum Zweck der Austauschbarkeit verschiedener Tiegelsysteme gegeneinander lösbar an einem Grundrahmen 30 befestigt ist Der Grundrahmen 30 ist mit einem im einzelnen nicht dargestellten System von Kühlkanälen versehen, die die Verbindung zwischen dem Hohlraum des Tiegels 1 und den Kühlmittelzu- und -ableitungen 3t herstellen Die intensive Kühlung des Grundrahmens stellt gleich zeitig eine wirksame Wärmeabschirmung für die damn ter angeordnete Magnetspule 32 dar. Diese Magnet spule umschließt das Joch 33 des Hauptpolschuhsy stems 8/9. Der vordere Schenkel des Jochs 33 ist zuir Zweck der Einblicknarme in die Vorrichtung fortgelas sen, der hintere Schenkel, welcher zum Polschuh t führt, wird praktisch vollständig durch den Tiegel 1 ver deckt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnurgen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erwärmen von Steffen mittels gebündelter Elektronenstrahlen im Vakuum. vorzugsweise zum Verdampfen von Stoffen zur Erzeugung dünner Schichten, bestehend aus einer beheizbaren Katode, Fokussierungsmitteln und elektromagnetischen Ablenkmitteln zur Umlenkung und Führung des Strahlenbündels auf bogenförmigen Bahnen in einem Winkelbereich von 90° und größer auf eine Zielfläche, wobei die Ablenkmittel aus mindestens zwei Polschuhsystemen für die Ausbildung unterschiedlicher Magnetfelder bestehen, von denen das Hauptpolschuhsystem in der Weise ausgebildet ist, daß dessen Feldstärke mit wachsendem Krümmungsradius der jeweils in einer Ebene verlaufenden bogenförmigen Elektronenstrahlbahnen abnimmt, und von denen das Hilfspolschuhsystem von der Zielfläche aus gesehen hinter der Katode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfspolschuhsystem (18) mit zur Ebene der bogenförmigen Bahnen senkrecht ausgerichteter Achse angeordnet ist und aus zwei spiegelbildlich

zu dieser Ebene angeordneten Polschuhen (19, 20) besteht, die mit je einem Polschuh des Hauptpolschuhsystems (8,9) in magnetischer Verbindung stehen und deren sich gegenüberliegende Austrittsflächen (21, 22) der magnetischen Feldlinien einen in Richtung auf das Strahlenbündel (23) geöffneten Keil bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkei, den die Austrittsflächen (21, 22) für die Feldlinien einschließen, zwischen 60 und 120° beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel, den die Austrittsflächen (21, 22) für die Feldlinien einschließen zwischen 80 und 100° beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Strahlablenkung um 180° das Hilfspolschuhsystem (18) auf etwa '/j bis ²h der Distanz zwischen Katode (24) und dem Kulminationspunkt der bogenförmigen Achse des Strahlenbündels angeordnet ist.