DE2346799B2 - Elektronenstrahlverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlverdämpfer zur Bedampfung von vorzugsweise breitem Bedampfungsgut. insbesondere von breiten Bändern, im Vakuum, mit einem Gleichstrom-Magnetsysiem, dessen Polschuhe entlang eines das Verdampfungsgut einhaltenden Verdampfungstiegels angeordnet sind, sich etwa über die gesamte Länge des Verdampfungstiegels erstrecken und ein Magnetfeld quer zur Tiegellangsachse ausbilden.

Hei einem aus der DT-OS 15 21584 bekannten Elektronenstrahlverdampfer dieser An isi das Ver-Jampfungsgut ebenfalls in nur einem Vcrdampfimgstie- icl enthalten, dessen Längsausdehnung etwa tier Breite Jes über den Verdampfungstiegel hinwegbewegten Bedampfungsgutes entspricht: die Erhitzung des Ver dampfungsgutes erfolgt mittels eines einzigen, rotationssymmetrischen, periodisch nach einem bestimmter zeitlichen Programm über die Oberfläche des Verdamp fungstiegels geführten, horizontal zwischen Verdamp fungs- und Bedampfungsgut eingeschossenen unc! mittels eines Magnetfeldes auf die Oberfläche des Verdampfungsgutes umgelenkten Elektronenstrahls Durch Veränderung der Spannung oder des Stromes an bzw. in der Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes wird die Stärke des Magnetfeldes verändert, wodurch sich finden Elektronenstrahl unterschiedliche Umlenkradien ergeben. Der Elektronenstrahl wird in Längsrichtung über den Verdampfungstiegel und somit über das Verdampfungsgut hin- und herbewegt. Die Länge dieses Verdampfers ist jedoch nicht frei wählbar wegen der erforderlichen großen Länge des Elektronenstrahls und ferner dadurch, daß der Elektronenstrahl durch den Metalldampf über dem Verdampfungsgut geführt werden muß. Diese Anordnung erfordert eine sehr leistungsstarke Elektronenstrahlkanone. Wegen eier ständigen Kollision der Elektronen des Strahls mit den Dampfionen über dem Verdampfungsgut ist die Energie des Strahles an den beiden Enden des Tiegels sehr unterschiedlich und es ergibt sich keine gleichmäßige Da.npfdichte und somit keine gleichmäßige Bedampfung des Bedampfungsgutes bei größeren Bedampfungsbreiten. Die Breite des Bedampfungsgutes kann daher nicht beliebig groß gewählt werden. Die Dampfdichteschwankung macht sich besonders bei schnellaufenden Bändern und hohen Anforderungen an die Schichtgleichmäßigkeit ungünstig bemerkbar.

Weiterhin ist es aus der DT-OS 15 21584 zum Bedampfen breiter Bänder bekannt, zwischen magnetischen Polschuhplatten mehrere Verdampfertiegel und mehrere Flachstrahl-Elektronenquellen über die gesamte Breite der zu bedampfenden Bänder anzuordnen, deren Elektronenbündel von dem Magnetfeld um etwa 180° umgelenkt werden. Diese bekannten Einrichtungen haben den Nachteil eines hohen technischen Aufwandes und die mit ihnen erzielbaren Schichtcigcnschaften entsprechen keinen hohen Ansprüchen hinsichtlich der Homogenität der Schichtstruktur.

Ferner ist es aus der DT-OS 15 21 571 bekannt, die Heizung durch eine Elektronenstrahlkanone zu bewirken, die sich entlang dem Tiegel mit dem Verdampfungsgut erstreckt. Der bandförmige Elektronenstrahl tritt durch eine öffnung in einer Seitenwand neben dem Tiegel hindurch, bevor er auf dem Verdampfungsgut auftrifft. Gegenüber der durchbrochenen Seilenwand ist auf der anderen Seite des Tiegels eine weitere Begrenzungswand vorgesehen. Die beiden Wände zusammen bilden eine Einrichtung, mit der die aufsteigende Dampfwolke begrenzt und in Richtung auf das Bedampfungsgut gelenkt wird. In anderen Richtungen sich ausbreitender Dampf kondensiert an den Begrenzungswänden und gelangt zurück in den Tiegel. Anordnungen dieser Art haben sich jedoch nicht bewährt für die Bedampfung von breiteren !"lachen, da sich einerseits die Elektronenstrahlkanone nur in sehr begrenztem Umfang verlängern läßt bis zu einer Länge von etwa 5 bis 10 cm und da andererseits der baiidlörmige Elektronenstrahl beim Zusammentreffen ivii der Dampf-lonenwoike wegen der Aufhebung der negativen Raumladung zu einem Brennfleck fokussiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahlvcrdampfer zu schaffen, der in hrlirhi-

ger Länge ausgeführt werden kann, ohne daß eine Behinderung der Dampfausbreitung erfolgt oder daß Einbauprobleme auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgenäß dadurch gelost. daß wenigstens ein Elektronenstrahl unier einem Winkel 0" <<\<90" zur Richtung des Magnetfeldes in dieses eintritt, wodurch er auf eine wendeiförmige Bahn gezwungen wird. Bei dieser Anordnung ei ,eicht man eine hohe Dampfdichte und durch die Anordnung mehre/er Elcktroncnstrahlkanonen bei größeren zu bedampfenden Breiten eine hohe Gleichmäßigkeit der Aufdampfschicht über die gesamte Breite des Bedampfungsgutes. Abschattungen des Dampfes werden vermieden, und es steht ausreichend Plat/ für die notwendigen Einbauten zur Verfügung. ,₅

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Elektronenstrahl unter einem Winkel \ zwischen 30° und 60° zur Richtung des Magnetfeldes in dieses eintritt. In diesem Fall wird nämlich einerseits die zur Richtung des Magnetfeldes senkrechte Geschwindig- ₂c keitskomponente der Elektronen ausreichend groß und andererseits wird der Durchbruch durch die Magnetpole noch nicht zu lang. Außerdem sind in diesem Winkelbereich, d.h. bei Winkein über 30 , an die Bündelung des Elektronenstrahls noch keine besonderen Anforderungen zu stellen.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn jeder Elektronenstrahl durch eine vorzugsweise zylindrisch ausgebildete öffnung in einem Polschuh in das Magnetfeld eintritt. Auf diese Weise erreicht man, daß der Elektronenstrahl trotz der Anordnung seitlicher Polschuhe zur Ausbildung eines hinreichend ausgedehnten Magnetfeldes und zur Begrenzung der Dampfwolke nahe der Oberfläche des Bedampfupgsgutes in die Anlage eintritt und somit keinen langen Weg durch die Dampfwolke hat. Zur Erzielung des gleichen Effektes ist es jedoch auch möglich, den Elektronenstrahl durch einen Spalt in einem mehrteiligen Polschuh oder seitlich an einem Polschuh vorbei in das Magnetfeld eintreten zu lassen. Gewisse Nachteile der beiden letztgenannten Ausführungen, z. B. hinsichtlich des Einfangens von Streuelektronen, werden durch die einfachere Bauweise aufgewogen.

Die Stärke und die räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes sowie die Einschußbahn des Elektronen-Strahls werden mit Vorteil so gewählt, daß am Metalldampf bzw. am Restgas in der Vakuumanlage einmal gestreute Primärelektronen eingefangen werden und das Magnetfeld nicht verlassen und daß weiterhin die an der Oberfläche des Verdampfuugsgutes aus dem Brennfleck rückgeslreuten Elektronen zum Verdampfungsgut zurückgelenkt werden. Dies erreicht man in sehr einfacher Weise dadurch, daß die Polschuhc des Magnetsystems sich über die Einschußhöhe des Primärelektronenstrahls hinaus nach oben über das 5s Verdampfungsgut erstrecken. Hierdurch erzielt man eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades des Verdampfers.

Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich, wenn die Bahn des Elektronenstrahls bis zum Eintritt in das Magnetfeld über dem Verdampfungsgui etwa linear verläuft. Ablenkmagnctc und sonstige Maßnahmen für die Kontrolle oder Lenkung des Elektronenstrahls werden hierbei nicht benötigt, jedoch besteht bis zu einem gewissen Grad die Gefahr eines früh/eiligen Ausfallens des Elektronen emittierenden Glühfadens der Elektronenstrahlquclle durch einen positiven lonenstrom zu der Quelle. Dies kann vermieden werden.

wenn der Elektronenstrahl vor dem Eintritt in d;;s Magnetfeld über dem Verdampfungsgut ein zusätzliches Abienkfeld durchläuft, so daß die positiven Metall-•Jampfionen nur schwer zur Elektronenstrahlquelle gelangen können.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in der folgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsfurm eines erfindungsgemäßen .Elekironenstrahlverdampfers,

Fi g. 2 einen Schnitt nach der Linie H-Il in Fi g. L

Fig. 3 eine raumbildliche Darstellung eines /weiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlverdampfers, und

Fig.4 eine raumbildliche Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles, eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahl Verdampfers.

In Fig. I sind mit 10 und 11 je eine Elektronensinihlkanone bezeichnet,deren Elektronenstrahlen 12 bzw. 13 in den Brennflecken 14 bzw. 15 auf einem Verdampfungsgut 16 auftreffen. Das Verdampfungsgut 16 besteht z. B. aus Aluminium und ist in einem Verdampfungstiege! 17 enthalten, der zwischen zwei Polschuhcn 18 und 89 eines Gleichstrom-Magnetsystems 20 sitzt.

Ein breites, bandförmiges Bedampfungsgut 21 wird senkrcchi zur Längsachse 22 des Verdampfungstiegels 117 vorzugsweise kontinuierlich im Vakuum über diesen hinwegbewegt. Die Halterung und Führung für das Bedampfungsgut 21 ist der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Polschuhe 18 und 19 des Magnetsystems 20 erstrecken sich über die gesamte Länge des Verdampfungstiegels 17 und bilden ein Magnetfeld 23 quer zur Tiegellängsachse 22 aus. Die beiden Elekironenstrahlen

12 und 13 treten unter einem Winkel 0^γ'<λ.<90" zur Richtung des Magnetfeldes 23 in dieses ein und werden von dem Magnetfeld auf eine wendeiförmige Bahn 24 gezwungen, von der in der Abbildung nur der erste Teil bis /um Auftreffen der Elektronen auf dem Verdampfungsgut 16 in den Brennflecken 14 und 15 sichtbar ist. Die wendeiförmige Bahn 24 der Elektronen verläuft so. daß sie eine tiefste, im Betrieb noch vorkommende Oberfläche 25 des Verdampfungsgutes 16 durchdringt. In der Abbildung treten die Elektronenstiahlen 12 und

13 unter einem Winkel λ von e'wa 45 / ur Richtung des Magnetfeldes 23 in dieses ein.

Bei der Ausführungsfortn nach Fig.! gelangt der Elektronenstrahl 12 seitlich an dem Polschuh 18 vorbei in das Magnetfeld 23; der Elektronenstrahl 13 durchdringt eine öffnung 26 in Form einer parallel zum Elektronenstrahl verlaufenden, zylindrischen Bohrung im Polschuh 19. Eine weitere, in der Abbildung nicht dargestellte Möglichkeit zur Führung der Elekironenstrahlen bestünde beispielsweise darin, einen oder mehrere Elektronenstrahl durch einen Spalt in einem mehrteiligen Polschuh in das Magnetfeld 23 eintreten zu lassen. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform verläuft die Bahn der Elektronensirahlen 12 und 13 bis zum Fintritt in das Magnetfeld 23 über dem Verdampfungsgut 16 etwa linear.

F i g. 2 zeigt den Aufbau der Verdampfungsanlage im Schnitt. Fs ist ersichtlich, daß die Polschuhe 18 und 14 sich über die gesamte Höhe der Anlage erstrecken und mechanisch durch zwei nicht magnetische Stützteile 27 und 28 zusammengehalten werden, welche beispielsweise von Kupferplattcn gebildet werden. Im unteren Teil der Anordnung zwischen den Stützteilen 27 und 28 sitzt

cine Glcichstromspulc 29. welche das Magneiiekl 23 erzeugt. Der Vcrdampfungsticgel 17 wird in Aussparungen 30,31 der Polschuhe 18,19 gehalten und isi so leicht auswechselbar.

Die Polschuhc 18 und 19 sind verhältnismäßig hoch über das Verdampfungsgut 16 hinausgeführt und bilden eine mechanische und magnetische Führung und Abschirmung für den Metalldampf. Sie dienen ferner als Auffänger für gestreute, durch das Magnetfeld nicht zurückgelenkte Elektronen. Die Stärke und die räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes 23 sind so bemessen, daß am Metalldampf bzw. am Restgas der Vakuumanlage einmal gestreute Primärelektronen 32 eingefangen werden und das Magnetfeld 23 nicht verlassen. Die Bahn solcher Primärclcktronen 32 ist bei 33 gestrichelt angedeutet. Erst wenn diese einmal gestreuten Piimärclektronen ein zweites Mal gestreut werden, können sie das Magnetfeld verlassen. Diese Bahn ist bei 34 angedeutet. Wcitcrhir sind die Einschußbahn der F.lcktronenstrahlen 12 bzw. 13 und die räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes 23 so gewählt und aufeinander abgestimmt, daß die an der Oberfläche 25 des Verdampfungsgutes 16 aus den Brennflccken 14 bzw. 15 rückgestreuten Elektronen 35 auf einer Bahn 36 zum Verdampfungsgut 16 zurückgelenkt werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Anlage beträchtlich erhöht und eine Erwärmung des Bcdampfungsgutes durch Streuelektronen verhindert. Die Rücklcnkkraft A ergibt sich aus den Gesetzen demagnetischen Feldes. Wenn ein bewegtes Elektron c entsprechend dem Elektronenstrahl 12 oder 13 eine Geschwindigkeitskomponente aus der Zeichencbcnc heraus besitzt, so ist die Kraft A infolge des rechts drehenden Feldes des Elektrons und des von links nach rechts weisenden Magnetfeldes 23 nach unten gerichtet.

In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Elcktronenstrahlverdampfung gezeigt, bei der zwei Eiektronenstrahlkanonen 37 und 38 auf der einen Seite des Vcrdampfungstiegels und eine dritte Eleklronci.strahlkanone 39 auf der anderen Seite des Vcrdampfungstiegels 17 sitzen. Die Elektroncnstrahlen verlaufen wie bei der Ausführung in Fig. I etwa geradlinig bis zum Eintritt in das Magnetfeld und werden dann von diesem in der zuvor bereits erläuterten Weise zum Verdampfungsgut 16 hingelenkt. Im übrigen bestehen keine Unterschiede zu der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführung: gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

F ι g. 4 zeigt eine weitere Abwandlung des Elcklroncnstrahlverdampfers, bei der mit 40 und 41 bezeichnete F.lckironcnstrahlcn von zwei Elektronenstrahlkanoncn 42 und 43 nicht mehr linear zum Magnetfeld hinführen, sundern bereits vordem Eintritt in das Magnetfeld über dem Verdampfungsgut 16 ein zusätzliches Ablenkfeld durchlaufen. Ablenkfeldcr dieser Art sind bekannt und in der Zeichnung daher nicht gesondert dargestellt. Diese Anordnung ist zwar etwas aufwendiger als die beiden zuvor beschriebenen Anordnungen mit geradliniger FJckironcnstrahlführung. jedoch besitzt sie diesen gegenüber den Vorteil, daß positive Metalldampfionen nun schwerer zur Elektronenstrahlkanonc gelangen und diese beschädigen. Im übrigen entspricht auch die Ausführungsform nach F i g. 4 den beiden vorhergehenden Ausführungsformen und es sind aus diesem Grund wiederum gleiche Teile mit gleichen Bczugszcichcn versehen.

Bei der ik-ilampfung breiterer Flächen, insbesondere bei der Bcdampfiing laufender Bänder, sind eine hohe Dampfilii'lile sowie deren Gleichmäßigkeil über der Bandbreite Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bzw. für die Qualität lies Erzeugnisses Überlegungen, wie diese Forderungen zu realisieren sind, führen zu einem langen, über die gesamte zu bedampfende Breite reichenden Tiegel, der möglichst gleichmäßig, zumindest aber in gleichmäßigen Abständen. Metalldampf emittiert, iiinc Beheizung mit bekannten Strahlführungen führt aus räumlichen Gründen zu Schwierigkeiten, entweder weil Abschaltungen

ίο des Dampfes nicht zu vermeiden sind oder weil der Platz für die notwendigen Einbauten nicht zur Verfügung steht. Ferner kann ein Elektronenstrahl insbesondere wenn er den Metalldampf durchdringen muß, nicht beliebig lang gezogen werden, selbst wenn eine sehr hohe Bcschleunigungscncrgie aufgewendet wird.

Der erfindungsgemäße Elektronenstrahlvcrdampfci kann mit einem Bedampfungsticgel beliebiger Länge ausgeführt werden, über dessen Badobcrfiächc ein verhältnismäßig kurzes Magnetfeld quer zur Tiegellängsrichtung verläuft. Auch die Länge des erforderlichen Magnetfeldes ist nämlich ein wesentliches Kriterium für die mögliche Gesamtlänge des Verdampfungstiegels, wenn das Feld in Tiegcllängsrichtung aufgebaut werden muß. Das wesentlichste Merkmal der Erfindung zur Erreichung des gestellten Zieles, nämlich einer weitgehend gleichmäßigen Erwärmung eines beliebig langen Verdampfungstiegels, besteht darin, daß die erforderliche Zahl der zur Beheizung verwendeten Elektronenstrahl unter einem Winkel größer 0" und kleiner 90', vorzugsweise unter einem Winkel /.wischer 30' und 60'. zur Feldrichtung in das Magnelfclc eintreten. Die Elektronenstrahlen erhalten auf diese Weise eine Geschwindigkeitskomponente quer zui Feldrichtung des Magnetfeldes und erreichen auf einci kurzen, schraubenlinienförmigcn Bahn die ßadoberflä ehe des Verdampfungsgules.

Der Eintritt der Elektronenstrahl in das Magnctfclc erfolgt gemäß der Erfindung durch eine oder mehrere Öffnungen in den Polschuhen oder seitlich an den Poler vorbei. Die Einschußhohe ist so gewählt, daß die durch das Magnetfeld vorgegebene Bahn des Elektronen Strahls bei teilweise leerem Tiegel zum Teil noch unterhalb der Badoberfläche verlaufen würde, d. h.. dei Auftreffpunkt des Elektronenstrahls liegt im erster Schnittpunkt der vorgegebenen Elektronenstrahlbahr mit der Badoberfläche. Durch geeignete Dinicnsionie rung von Einschußwinkel. Einschußhöhe, Magnetfeld stärke, Magnetfeldausdehnung und -gestalt und Bc schleunigungsspannung des Elektronenstrahls lasser sich alle Forderungen in bezug auf Brennfleckkoordina ten. Strcuelektroneneinfang und Dampfausbreitunj erfüllen. Das Magnetfeld hat eine solche Ausdehnung und Stärke, daß die im Auftreffpunkt des Strahles mi primärer Geschwindigkeit gestreut wieder austreten den Elektronen auf das Bad zurückgeführt werden unc die im Dampf gestreuten Elektronen mindestem zweimal im ungünstigsten Winkel kollidieren müssen um das Magnetfeld verlassen zu können.

Die Anordnung der Strahlerzeugersystemc kann der jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Die ein fachsten Systeme ergeben sich bei geradliniger Führung der Elektroncnstrahlen. andererseits erfolgt eine beson ders geringe Rückwirkung des Dampfes auf dii Kathode der Elektronenstrahlkanonc. wenn die Kann nen in großem Winkel zum Einschußkanal in da¹ Magnetfeld angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispic der I'ig. 4 beträgt der Ablcnkwinkc! für den F.lckiro

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nenstrahl W bzw. 135 . eingeschossen. Das Magnetfeld 23 hatte eine Stärke von

Die r.lekironenstrahien wurden bei den im Versuch IuO (j und erstreckte sich bis in 12 cm Höhe über die

erprobten Ausführungsbeispielen mit 14 kV beschleu- Oberfläche 25 des Verdampfungsgutes 16. Die Hrenn-

nigt und unter einem Winkel von 45 /um Magnetfeld flecke 14 und 15 der Llektronenstrahlcn 12 und 13 lagen

23 in 3.37 cm Höhe parallel /ur I3adoberllache 25 durch _s 3.4 cm in Längsrichtung. 5.3 cm in Querrichtung vom

ÖI'fiTungen 26 mit einem Durchmesser von 3 cm in das Liniritisort in das Magnetfeld 23 entfernt.
Magnetfeld 23 über dem VVrdampl'ungstiegel 17

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlverdampfer zur Bedampfung von vorzugsweise breitem Bedampfungsgut. insbesondere von breiten Bändern, im Vakuum, mit einem Gleichstrom-Magnetsystem, dessen Polschuhe entlang eines das Verdampfungsgut enthaltenden Verdampfungstiegels angeordnet sind, sich etwa über die gesamte Länge des Verdampfungstiegels erstrecken und ein Magnetfeld quer zur Tiegellängsachse ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Elektronenstrahl (12, 13, 40, 41) unter einem Wiiikel 0°<λ<90° zur Richtung des Magnetfeldes (23) in dieses eintritt, wodurch er auf eine wendeiförmige Bahr, (24) gezwungen wird.

2. tlektronenstrahlverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (12,13, 40, 41) unter einem Winke) JO' <<\<60' zur Richtung des Magnetfeldes (23) in dieses eintritt.

3. Elektronenstrahlverdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel a = 45° ist.

4. Elektronenstrahlverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (13,40,41) durch eine Öffnung (26) in einem Polschuh (18, 19) in das Magnetfeld (23) eintritt.

5. Elektronenstrahlverdampfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (26) in den Polschuhen (18, 19) als zylindrische Bohrungen ausgebildet sind.

b. Elektronenstrahlverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl durch einen Spalt in einem mehrteiligen Polschuh in das Magnetfeld eintritt.

7. Elektronenstrahlverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (12) seitlich an einem Polschuh (18) vorbei in das Magnetfeld (23) eintritt.

8. Elektronenstrahlverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (18, 19) sich über die Einschußhöhe des Primärelektronenstrahls (12, 13) hinaus nach oben erstrecken zum Einfangen von Streuelektronen (32,35).

9. Elektronenstrahlverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (40, 41) vor dem Eintritt in das Magnetfeld (23) ein zusätzliches Ablenkfeld durchläuft.