DE2346799C3 - Elektronenstrahlverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronensirahlverdämpfer /ur Bedampfung von vorzugsweise breitem Bedampfungsgut. insbesondere von breiten Bändern, im Vakuum, mit einem Gleichstrom Magnetsystem, dessen Polschuhe entlang eines das Verdampfungsgut enthaltenden Verdampfungstiegcls angeordnet sind, sich et\v;\ über die gesamte Länge des Verdampfungstiegcls erstrecken und ein Magnetfeld c|iier zurTiegcllängsachsc ausbilden.

Bei einem aus der DT-OS 15 21584 bekannten Hlcktroncnstrahlvcrdiimpfcr dieser Art ist das Verdampfungsgut ebenfalls in nur einem Verdampfungstiegel enthalten, dessen Längsausdehnung etwa der Breite des über den Vcrdampfungstiegcl hinwcgbcwegien Bedampfungsgutes entspricht: die Erhitzung des Verdampfungsgutes erfolgl mittels eines einzigen, rota-Smmetrischen. periodisch nach einem bestimmten zeitlichen Programm über d.e Oberflache des Vcrdainpfunesticgeis geführten, horizontal zwischen Verdampfn-i« und Bedampfungsgut eingeschossenen und Xs dnes Magnetfeldes auf die Oberfläche des Vmlampfungsgutes 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 für den Elektronenstrahl unterschiedliche Umlenkradicn „.„eben Der Elektronenstrahl wird in Längsrichtung über den Verdampfungstiegel und somit über das Verdampfungsgut hin- und herbewegt. Die Länge dieses Verdampfers ist jedoch nicht frei wahlbar 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 Eleklronenstrahlkanone. Wegen der ständigen Kollision der Elektronen des Strahls mit den Dampfionen über dem Verdampfungsgut ist d.e Energie des Strahles an den beiden Enden des Tiegels sehr unterschiedlich und es ergibt sich keine gleichmäßige Dampfdichte und somit keine gleichmäßige Bedampfung des Bedampfungsgutes bei größeren Bedampfungsb.eitcn. Die Breite des Bedampfungsgutes kann daher nicht beliebig groß gewählt werden. Die Dampfdichteschwankung macht sich besonders bei schnellaufenden Bändern und hohen Anforderungen an die Schichlgleichmäßigkeit 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 erziclbaren Schichteigenschaften 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 Verdampfungsgui auftrifft. Gegenüber der durchbrochenen Seitenwand isi 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 au das Bedampfungsgut gelenkt wird. In anderen Richtun gen sich ausbreitender Dampf kondensiert an der Begrenzungswänden und gelangt zurück in den Tiegel Anordnungen dieser Art haben sich jedoch nich bewährt für die Bedampfung von breiteren Flächen, d; sich einerseits die Elektronensirahlkanone nur in seh begrenztem Umfang verlängern läßt bis zu einer Längi von etwa 5 bis 10 cm und da andererseits de bandförmige Elektronenstrahl beim Zusammentreffe! mit der Dampf-Ionenwolke wegen der Aufhebung de negativen Raumladung zu einem Brennfleck l'okussier wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahlverdampfei· zu schaffen, der in beliebi

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein Elektronenstrahl unter einem Winke! 0°<«<90° zur Richtung des Magnetfeldes in dieses eintritt, wodurch er auf eine weniieiförmige Bahn gezwungen wird. Bei dieser Anordnung erreicht man eine hohe Dampfdichte und durch die Anordnung mehrerer Elektronenstrahlkanonen bei größeren /u _lc bedampfenden Breiten eine hohe Gleichmäßigkeit der Aufdainpfschicfu über die gesamte Breite des ßedampfungsgutes. Abschattungen des Dampfes werden vermieden, und es steht ausreichend Platz für die notwendigen Einbauten zur Verfügung. ,₅

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Elektronenstrahl unter einem Winkel λ zwischen 30° und 60° zur Richtung des Magnetfeldes in dieses eintriu. In diesem Fall wird nämlich einerseits die zur Richtung des Magnetfeldes senkrechte Geschwindigkeitskomponente der Elektronen ausreichend groß und andererseits wird der Durchbruch durch die Magnetpole noch nicht zu lang. Außerdem sind in diesem Winkelbereich, d. h. bei Winkeln 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 Bedampfungsgutes 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 Verdampfungsgutes aus dem Brennfleck rückgestreuten Elektronen /um Verdampfungsgut zurückgelenkt werden. Dies erreicht man in sehr einfacher Weise dadurch, daß die Polschuhe des Magnetsystems sich über die Einschußhöhe des Primärelektronenstrahls hinaus nach oben über das 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 Verdampfungsgut etwa linear verläuft. Ablenkmagnete und sonstige Maßnahmen für die Kontrolle oder Lenkung des Elektronenstrahls werden hierbei nicht benötigt, jedoch besteht bis /u einem gewissen Grad die Gefahr eines frühzeitigen Ausfallens des Elektronen emittierenden Glühfadens der Elektronenstrahlquellc durch einen positiven lonenstrom zu der Quelle. Dies kann vermieden werden.

wenn der Elektronenstrahl vor dem Eintritt in das Magnetfeld über dem Verdampfungsgut ein zusätzliches Ablenkfeld durchläuft, so daß die positiven Metalldampfionen nur schwer zur Elektronenstrahlquelle gelangen können.

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

Fig. I eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlverdampfers,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie U-Il in Fig. 1,

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

Fig.4 eine raumbildliche Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlverdampfers.

In F i g. 1 sind mit 10 und 11 je eine Elektronenstrahlkanone bezeichnet, deren Elektronenstrahlen 12 bzw. Π in den Brennflecken 14 bzw. 15 auf einem Verdampfungsgut 16 auftreffen. Das Verdampfungsgui 16 besteh! z. B. aus Aluminium und ist in einem Verdampfungstiegel 17 enthalten, der zwischen zwei Polschuhen 18 und 19 eines Gleichstrom-Magnetsystems 20 sitzt.

Ein breites, bandförmiges Bedampfungsgut 21 wird senkrecht zur Längsachse 22 des Verdamprungstiegcls 17 vorzugsweise kontinuierlich im Vakuum über diesen hinwegbewegt. Die Halterung und Führung für das Bedampfungsgul 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 Elektronenstrahlen

12 und 13 treten unter einem Winkel 0^c <λ<90' /hi 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 zum Auftreffen der Elektronen auf dem Verdampfungsgut 16 in den Brennflecken 14 und 15 sichtbar ist. Die wendelföniiige Bahn 24 der Elektronen verläuft so, daß sie eine tiefste, im Betrieb noch vorkommende Oberfläche 25 oes Verdampfungsgutes 16 durchdringt. In der Abbildung treten die Elektronenstrahlen 12 und

13 unter einem Winkel λ von etwa 45° zur Richtung des Magnetfeldes 23 in dieses ein.

Bei der Ausführungsform nach F i g. I gelangt du Elektronenstrahl 12 seitlich an dem Polschuh 18 vorbei in das Magnetfeld 23; der Elektronenstrahl 13 durchdringt eine Öffnung 26 in Form einer parallel /um Elektronenstrahl verlaufenden, zylindrischen Bohrung im Polschuh 19. Eine weitere, in der Abbildung nicht dargestellte Möglichkeit zur Führung der Elektronen-Strahlen bestünde beispielsweise darin, einen oder mehrere Elektronenstrahlon 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 Elektronenstrahl 12 und 13 bis zum Eintritt in das Magnetfeld 23 über dem Verdampfungsgut 16 etwa linear.

F i g. 2 zeigt den Aufbau der Verdampfungsaniagc im Schnitt. Es ist ersichtlich, daß die Polschuhc 18 und 19 sich über die gesamte Höhe der Anlage erstrecken und mechanisch durch zwei nicht magnetische Stiit/tcile 27 und 28 zusammengehalten werden, welche beispielsweise von Kupferplatten gebildet werden. Im unteren Teil der Anordnung zwischen den Stützteilen 27 und 28 sit/t

cine Gleichstromspule 29, welche das Magnetfeld 23 erzeugt. Der Verdampfungstiegel 17 wird in Aussparungen 30,31 der Polschuhe 18,19 gehalten und ist so leicht auswechselbar.

Die Polschuhe 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 Primärelektronen 32 ist bei 33 gestrichelt angedeutet. Erst wenn diese einmal gestreuten Primärelektronen ein zweites Mal gestreut werden, können sie das Magnetfeld verlassen. Diese Bahn ist bei 34 angedeutet. Weiterhin sind die Einschußbahn der Elektronenstrahlen 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 Brennflecken 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 Bedampfungsgutes durch Streuelektronen verhindert. Die Rücklenkkraft A ergibt sich aus den Gesetzen des magnetischen Feldes. Wenn ein bewegtes Elektron e entsprechend dem Elektronenstrahl 12 oder 13 eine Geschwindigkeitskomponente aus der Zeichenebene 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 Elekironenstrahlverdampfung gezeigt, bei der zwei Elektronenstrahlkanonen 37 und 38 auf der einen Seite des Verdampfungstiegels und eine dritte Elektronenstrahlkanone 39 auf der anderen Seite des Verdampfungstiegels 17 sitzen. Die Elektronenstrahlen verlaufen wie bei der Ausführung in F i g. 1 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 i g. 4 zeigt eine weitere Abwandlung des Elektronenstrahlverdampfers. bei der mit 40 und 41 bezeichnete Elektronenstrahlen von zwei Elektronensixahlkanonen 42 und 43 nicht mehr linear zum Magnetfeld hinführen, sondern bereits vor dem Eintritt in das Magnetfeld über dem Verdampfungsgut 16 ein zusätzliches Ablenkfeld durchlaufen. Ablenkfelder 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 Elektronei.strahliührung, jedoch besitzt sie diesen gegenüber den Vorteil, daß positive Metalldampfionen nun schwerer zur Elektronenstrahlkanone 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 Bezugszeichen versehen.

Bei der Bedampfung breiterer Flächen, insbesondere bei der Bedampfung laufender Bänder, sind eine hohe Damofdichte sowie deren Gleichmäßigkeit über der Bandbreite Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bzw. für die Qualität des 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 Abstanden, Metalldampf emittiert. Eine 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 Verfugung steht. Ferner kann ein Elektronenstrahl, insbesondere wenn er den Metalldampf durchdringen muß, nicht beliebig lang gezogen werden, selbst wenn eine sehr hohe Beschleunigungsenergie aufgewendet wird.

Der erfindungsgemäße Elektronenstrahlverdampfer kann mit einem Bedampfungstiegel beliebiger Länge ausgeführt werden, über dessen Badoberfläche 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 Tiegellängsrichtung 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 Elektronenstrahlen unter einem Winkel größer 0° und kleiner 90°, vorzugsweise unter einem Winkel zwischen 30^c und 60°, zur Feldrichtung in das Magnetfeld eintreten. Die Elektronenstrahlen erhalten auf diese Weise eine Geschwindigkeitskomponente quer zur Feldrichtung des Magnetfeldes und erreichen auf einer kurzen, schraubenlinienförmigen Bahn die Badoberfliiche des Verdampfungsgutes.

Der Eintritt der Elektronenstrahlen in das Magnetfeld erfolgt gemäß der Erfindung durch eine oder mehrere Öffnungen in den Polschuhen oder seitlich an den Polen vorbei. Die Einschußhöhe ist so gewählt, daß die durch das Magnetfeld vorgegebene Bahn des Elektronenstrahls bei teilweise leerem Tiegel zum Teil noch unterhalb der Badoberfläche verlaufen würde, d. h.. der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls liegt im ersten Schnittpunkt der vorgegebenen Elektronenstrahlbahn mit der Badoberfläche. Durch geeignete Dimensionicrung von Einschußwinkel. Einschußhöhe, Magnetfeldstärke, Magnetfeldausdehnung und -gestalt und Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls lassen sich alle Forderungen in bezug auf Brennfleckkoordinaten. Streuelektroneneinfang und Dampfausbreitung erfüllen. Das Magnetfeld hat eine solche Ausdehnung und Stärke, daß die im Auftreffpunkt des Strahles mit primärer Geschwindigkeit gestreut wieder austretenden Elektronen auf das Bad zurückgeführt werden und die im Dampf gestreuten Elektronen mindestens zweimal im ungünstigsten Winkel kollidieren müssen, um das Magnetfeld verlassen zu können.

Die Anordnung der Strahlerzeugersysteme kann den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Die einfachsten Systeme ergeben sich bei geradliniger Führung der Elektronenstrahlen, andererseits erfolgt eine besonders geringe Rückwirkung des Dampfes auf die Kathode der Elektronenstrahlkanone, wenn die Kanonen in großem Winkel zum Einschußkanal in das Magnetfeld angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 4 beträgt der Ablenkwinkel für den Elektro-

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»enstrahl 90° bzw. 135°.

Die Elektronenstrahlen wurden bei den im Versuch erprobten Ansführungsbeispielen mit 14 kV beschleunigt und unter einem Winkel von 45° zum Magnetfeld 13 in 3,37 cm Höhe parallel zur Badoberfläche 25 durch öffnungen 26 mit einem Durchmesser von 3 cm in das Magnetfeld 23 über dem Verdampfungstiegel 17 eingeschossen. Das Magnetfeld 23 hatte 100 G und erstreckte sich bis in 12 cm Oberfläche 25 des Verdampfungsgutes flecke 14 und 15 der Elektronenstrahlen 3,4 cm in Längsrichtung, 5,3 cm in Qw Eintrittsort in das Magnetfeld 23 entfern

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 Verdampfungsliegeis erstrecken und ein Magnetfeld quer zur Tiegellängsachse ausbilden, d a d u r c hf g e k e η η ζ e j c h η e t.......

daß wenigstens ein Elektronenstrahl (12,13,40; 41) unter einem Winkel 0°<λ<90° zur Richtung des Magnetfeldes (23) in dieses eintritt, wodurch er auf eine wendeiförmige Bahn (24) gezwungen wird.

2. Elektronenstrahlverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (12,13,40,41) unter einem Winkel 30° <«<60° zur Richtung des Magnetfeldes (23) in dieses eintritt.

3. Elektronenstrahlverdampfer nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel λ = 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.

6. 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 I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (40, 41) vor dem Eintritt in das Magnetfeld (23) ein zusätzliches Ablenkfelcl durchläuft.