DE2429854C3

DE2429854C3 - Device for melting and subsequent evaporation of substances

Info

Publication number: DE2429854C3
Application number: DE19742429854
Authority: DE
Inventors: Robert L. Castro Valley; Tsujimoto Kazumi N. El Cerrito; Calif. Shrader (V.StA.)
Original assignee: Airco, Inc., Montvale, NJ. (V.StA.)
Priority date: 1973-08-08
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1977-05-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Vo-richtung zum Schmelzen und anschließenden Verdampfen von Substanzen mit einem die Substanz enthaltenden Tiegel, einer im wesentlichen seitlich neben deir Tiegel vorgesehenen Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und mit einer zwei einander gegenüberliegende Polstücke aufweisenden Ablenkeinrichtung zur Erzeugung mindestens eines quer zu dem Eltkronenstrahl verlaufenden und den Elektronenstrahl η einer gekrümmten Bahn auf die Substanzoberfläche lenkenden Magnetfeldes. The invention relates to a pre-melting device and subsequent evaporation of substances with a crucible containing the substance, an im essentially laterally next to deir crucible provided arrangement for generating an electron beam and with a deflection device having two opposing pole pieces for generating at least one extending transversely to the crown beam and the electron beam η a curved one Path of a magnetic field directing the substance surface.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DT-AS 11 85 820 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird angestrebt, mittels spezieller Ausgestaltungen des Magnetführungsfeldes unter Verwendung einer Vielzahl von Polschuhcn oder dergleichen eine Möglichkeit zur Erzeugung unterschiedlicher Auftreffmuster des Elektronenstrahls oder verschiedener Elektronenstrahllenaufdie Substanzoberfläche zu erzielen.A device of this type is known from DT-AS 11 85 820. In the known device aspired to by means of special designs of the magnetic guide field using a variety Polschuhcn or the like a possibility to generate different impact patterns of the Electron beam or various electron beams onto the To achieve substance surface.

Abgesehen von dem geräte- und steuerungsmäßigen Aufwand, der bei der bekannten Vorrichtung zur Erzielung der unterschiedlichen Auftreffmuster erforderlich ist, muß als nachteilig in Kauf genommen werden, daß sich während des Betriebs der Vorrichtung aufgrund des sich im Tiegel verändernden Niveaus der geschmolzenen Substanz eine ständige Änderung der Auftreffverhältnisse auf der Oberfläche der zu verdampfenden Substanz einstellt, welche wiederum aufwendige ergänzende Steuerungsmaßnahmen erforderlich macht, da sich sonst eine ungleichmäßige Erhitzung des Tiegels einstellen würde, die in der geschmolzenen Substanz unerwünschte Turbulenzen hervorrufen und eine starke Erosion des Tiegels zur Folge haben könnte. Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs definierten Art liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Vorrichtung mit möglichst einfachen Mitteln so auszubilden, daß der Elektronenstrahl auch bei Niveauänderungen der Substanzoberfläche annähernd rechtwinklig auf die Substanzoberfläche auftrifft.Apart from the equipment and control-wise effort, which in the known device for Achieving the different impact pattern is required must be accepted as a disadvantage be that during the operation of the device due to the changing level in the crucible molten substance a constant change in the conditions of impact on the surface of the substance to be vaporized Substance adjusts, which in turn requires complex supplementary control measures otherwise uneven heating of the crucible would result, which in the molten substance can cause unwanted turbulence and severe erosion of the crucible Could have a consequence. The present invention is based on a device of the type defined at the outset The invention has the object to design this device with the simplest possible means so that the Electron beam almost at right angles to the surface of the substance even when the level changes Substance surface hits.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer Vorrichtung der genannten Art dadurch gelöst, daß in dem Bereich zwischen den Polstücken und dem Tiegel eine für das Quermagnetfeld einen Nebenschluß bildende magnetische Abschirmung aus weichmagnetischem Material angeordnet ist.This object is achieved according to the invention in a device of the type mentioned in that in the area between the pole pieces and the crucible a shunt for the transverse magnetic field forming magnetic shield made of soft magnetic material is arranged.

Durch diese Maßnahmen wird auf überraschend einfache Weise unter Vermeidung jeglicher komplizierter Einrichtung zur Steuerung des Elektronenstrahls oder zur Steuerung der jeweiligen Lage des Tiegels in Abhängigkeit vom Substanzpegel erreicht, daß nach einer einmaligen Justierung der Vorrichtung während des gesamten Verdampfungsvorganges sichergestellt ist, ^aß bis zur vollständigen Leerung des Tiegels optimale Auftreffverhältnisse herrschen.These measures become more complicated in a surprisingly simple manner while avoiding any Device for controlling the electron beam or for controlling the respective position of the crucible in Dependence on the substance level achieved that after a one-time adjustment of the device during the entire evaporation process is ensured, ^ ate until the crucible was completely emptied optimal impact conditions prevail.

Vorzugsweise wird die magnetische Abschirmung derart angeordnet, daß sie koaxial zum Tiegel verläuft.The magnetic shield is preferably arranged in such a way that it runs coaxially with the crucible.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.The invention is explained below using an exemplary embodiment with reference to the drawing explained in more detail.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Schmelzen und anschließenden Verdampfen von Substanzen entsprechend der Erfindung.The single figure of the drawing shows a sectional view of a device for melting and subsequent evaporation of substances according to the invention.

In der Zeichnung ist ein Tiegel 12 gezeigt, der die zu verdampfende Substanz 13 enthält. Eine Elektronen strahlquelle 14 erzeugt einen Elektronenstrahl 15, der durch ein magnetisches Querfeld auf einer gekrümmten Elahn geführt wird. Diis Querfeld wird durch einander gegenüberliegende Polstücke 16 und 17 gebildet.In the drawing, a crucible 12 is shown, which to Contains evaporating substance 13. An electron beam source 14 generates an electron beam 15 which is guided by a magnetic transverse field on a curved Elahn. This cross-country becomes confused opposing pole pieces 16 and 17 are formed.

Zwischen den Polstücken und dem Tiegel angeordnete magnetische Abschirmungen 19 sorgen dafür, daß keine Kraftlinien den Tiegel durchsetzen können.Arranged between the pole pieces and the crucible Magnetic shields 19 ensure that no lines of force can penetrate the crucible.

Der Block U, in dem der Tiegel 12 ausgebildet ist, besteht aus Kupfer. An der Unterseite des Blocks ist eine Ausnehmung 21 vorgesehen, die über die gesamte Breite des Blocks reicht. Koaxial zu dem Tiegel 12 isl an der Unterseite des Blocks eine kreisförmige Ausnehmung 23 vorgesehen. An dem der Ausnehmung 21 gegenüberliegenden Ende des Blocks befindet sich eine Ausnehmung 25. The block U in which the crucible 12 is formed is made of copper. A recess 21 is provided on the underside of the block which extends over the entire width of the block. A circular recess 23 is provided on the underside of the block, coaxial with the crucible 12. A recess 25 is located at the end of the block opposite the recess 21.

Der Tiegel 12 besitzt kegelstumpfartige Wände. Ein weiterer kegelstumpfförmiger Abschnitt 27 erstreckt sich vom oberen Rand 29 des Tiegels 12 bis zur Oberseite des Blocks 11 und bildet dabei einen dem Tiegel zugeordneten Trichter. Auf diese Weise werden auch die Polstücke 16 und !7 gegen Dampfkondensation geschützt.The crucible 12 has frustoconical walls. Another frustoconical section 27 extends extends from the upper edge 29 of the crucible 12 to the top of the block 11 and thereby forms a dem Funnel assigned to the crucible. In this way the pole pieces 16 and 7 are also protected against vapor condensation protected.

Zum Kühlen des Blocks sind Kühlmittelgänge 31 vorgesehen, durch die über Kühlmittelleitungen 33 Wasser oder ein anderes Kühlmittel geleitet wird.Coolant passages 31 are provided for cooling the block, through which coolant lines 33 Water or another coolant is passed.

Die Leitungen 33 sind mit den erforderlichen Rohranschlüssen 35 versehen.The lines 33 are provided with the required pipe connections 35.

Eine im wesentlichen U-förmige waagrecht liegende Ausnehmung 37 befindet sich unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Blocks 11, wodurch zwei etwa waagrecht verlaufende Stege 39 und 41 entstehen, die von dem Block ausgehen und oberhalb der Ausnehmung 25 liegen. Eine öffnung 43 im Block 11 reicht von dessen Oberseite bis zur Unterseite des unteren Rahmens 41 und entstreckt sich in die Ausnehmung 25. Die Öffnung schneidet teilweise auch die kegelstumpfförmige Fläche 27, die sich von der halben Höhe des Blocks bis zum oberen Rand 29 des Tiegels 12 erstreckt. Die öffnung 43 und die Ausnehmung 37 legen somit eine vertikale Wand 45 fest, die die öffnung 43 von der Ausnehmung 37 trennt und zwischen den Stegen 39 und 41 verläuftA substantially U-shaped horizontally lying recess 37 is located immediately below the Surface of the block 11, whereby two approximately horizontally extending webs 39 and 41 arise which proceed from the block and lie above the recess 25. An opening 43 in block 11 extends from it Top to bottom of the lower frame 41 and extends into the recess 25. The opening also partially intersects the frustoconical surface 27, which extends from half the height of the block to the upper edge 29 of the crucible 12. The opening 43 and the recess 37 thus define a vertical wall 45 which separates the opening 43 from the recess 37 separates and runs between the webs 39 and 41

Die gesamte Vorrichtung sitzt auf einer im wesentlichen rechteckigen Grundplatte 47 aus nichtmagnetischem Material mit einem darauf befindlichen und durchThe entire device sits on a substantially rectangular base plate 47 made of non-magnetic Material with an on it and through

Schweißen oder auf andere Weise befestigen Stutzblock 51. Ein quaderförmiger Permanentmagnet 53 ist zwischen der Grundplatte 47 und dem Block II befestigt. Der Block 11, in dem der Tiegel 12 ausgebildet ist, sitzt auf dem Block 51 und dem Magneten 53. wobei 5 der Magnet 53 in die Ausnehmung 21 des Blocks 11 eingepaßt ist.Weld or otherwise attach support block 51. A cuboid permanent magnet 53 is between the base plate 47 and the block II attached. The block 11 in which the crucible 12 is formed is, sits on the block 51 and the magnet 53. where 5 the magnet 53 is fitted into the recess 21 of the block 11.

Die Ablenkeinrichtung besteht aus einem Paar paralleier Polstücke 16 und 17 die vom Magneten 53 polarisiert sind. Diese Polstücke 16 und 17 besitzen to Rechteckform und weisen an einem Ende Abschrägungen 57 auf. Die Unterkante jedes Polsiückes 16, 17 ruht auf der Oberseite der Grundplatte 47 und die einander gegenüberliegenden Seiten der Polstücke 16 und 17 liegen an den jeweils benachbarten Seiten des Blocks 51 an. Die Polslücke 16, 17, die Grundplatte 47 und der Block 111 sind zu einem starren Gebilde miteinander verbunden. Die Anordnung 14 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls ist am Block 51 etwas oberhalb der Grundplatte 57 im Bereich zwischen den Polstücken 16 und 17 angeordnet. Diese Anordnung umfaßt einen Glühdraht 61 aus Wolfram oder einem anderen geeigneten emittierenden Material. Der Glühdraht wird von Spynnklötzen 63 gehalten, die mittels Schrauben 65 befestigt sind und den Glühdraht gegen einen von zwei Katodenblöcken 69 drücken. Diese Katodenblöcke besitzen eine Mittelöffnung 71, in der der Gliihdraht 61 verläuftThe deflector consists of a pair of parallel pole pieces 16 and 17 from the magnet 53 are polarized. These pole pieces 16 and 17 are rectangular in shape and have bevels at one end 57 on. The lower edge of each pole piece 16, 17 rests on the top of the base plate 47 and on each other opposite sides of the pole pieces 16 and 17 lie on the respective adjacent sides of the block 51 on. The pole gap 16, 17, the base plate 47 and the block 111 are together to form a rigid structure connected. The arrangement 14 for generating an electron beam is slightly above the block 51 Base plate 57 arranged in the area between the pole pieces 16 and 17. This arrangement includes one Glow wire 61 made of tungsten or another suitable emitting material. The filament will held by Spynnklötzen 63, which by means of screws 65 are attached and press the filament against one of two cathode blocks 69. These cathode blocks have a central opening 71 in which the filament 61 runs

In der Rückseite eines jeden Kalodenblockes ist eine Ausnehmung 75 zur Aufnahme der Spannklötze vorgesehen. Den Katodenblöcken 69 urd über Hochspannungsanschlüsse 79 eine hohe negative Spannung zugeführt. Diese Hochspannungsanschlüsse sind an den Katodenblöcken mittels Schrauben 85 befestigt, die in ein Gegenclement 86 aus nichtmagnetischein Material an der anderen Seite der Kaiodenblökke eingreifen.In the back of each calodic block is one Recess 75 is provided for receiving the clamping blocks. The cathode blocks 69 and over High-voltage terminals 79 are supplied with a high negative voltage. These high voltage connections are attached to the cathode blocks by means of screws 85 which are inserted into a counter-element 86 of non-magnetic Intervene material on the other side of the Kaiodenblökke.

Über den oberen Teil der Katodenblöcke 69 hinweg erstreckt sich eine Strahlbündelungsplatte 81, welche die von den Katodenblöcken 69 gebildete Öffnung an der Oberseite verschließt.A beam converging plate 81 extends over the upper part of the cathode blocks 69, which the opening formed by the cathode blocks 69 closes at the top.

Über die Oberseite der Strahlbündelungsplatte 8! is! mit einem gewissen Abstand eine Anodcnplatte gebogen. Diese Anodenplatte wird von einem Haltcbügel 93 getragen, der bezüglich des Gegenelements 86 isoliert ist Der er/eugte I lektronenstrahl 15, der aus der Öilnung 71 zunächst im wesentlichen horizontal austritt. u,rd aulgrund des zwischen den l'olstücken 16 und 17 herrschenden magnetischen Querfeldes nach oben umgelenkt und nach einer Umlenkung von etwa 270 auf d;e Oberfläche der sich in dem Tiegel 12 befindenden Substanz gerichtet.Over the top of the beam focusing plate 8! is! an anode plate bent at a certain distance. This anode plate is held by a bracket 93 carried, which is isolated with respect to the counter element 86 Oil 71 initially emerges essentially horizontally. u, rd aulgrund des between l'ol pieces 16 and 17 prevailing magnetic transverse field deflected upwards and after a deflection of about 270 on the surface of the crucible 12 located substance directed.

Die in der Zeichnung gezeigte Ablenkeinrichtung 18 mit im Gehäuse 107 angeordneter Spule 103 wird nicht naher erläutert, da sie in: Zusammenhang mit der beschriebenen Erfindung keine besondere Bedeutung bcM'zt und von üblicher Bauart ist.The deflection device 18 shown in the drawing with the coil 103 arranged in the housing 107 is not explained in more detail, as they have no particular meaning in connection with the invention described bcM'zt and of the usual type.

Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, besitzt der Tiegel 12 Kegelstumpfform und somit Kreisquerschnitt. Die magnetische Abschirmung 19 umfaßt einen Ringkörper oder eine zylindrische Wandung aus Flußstahl, die in die die Basis des Tiegels umgebende Ausnehmung 23 paßt und darin mit einer Justierschraube 21 gehalten wird. Der Flußstahlzylinder wirkt als Nebenschluß für das Magnetfeld im Bereich des Tiegels. Dadurch werden magnetische Kraftlinien daran gehindert, den Tiegel zu durchsetzen, wodurch eine gleichmäßige Erhitzung der Substanz sichergestell'. wird, da unerwünschte und ungewollte Änderungen des Auftreffbereiches nicht eintreten können. Damit wird auch die Gefahr einer Erosion durch zu starke Erhitzung an einer Seite des Tiegels stark reduziert. Ferner kann ein langer Arbeitszyklus pro Tiegelfüllung erreicht werden, weil eine Änderung des Pegels der geschmolzenen Substanz im Tiegel praktisch keinerlei unerwünschte Nebenerscheinungen mit sich bringt. Wird beispielsweise eine Aluminiumcharge mit einer Leistung von 12 kW verdampft, so kann ein ununterbrochener Arbeitszyklus von mehr als einer Stunde durchgeführt werden.As can be seen from the drawing, the crucible 12 has the shape of a truncated cone and thus a circular cross-section. The magnetic shield 19 comprises an annular body or a cylindrical wall made of mild steel which fits into the recess 23 surrounding the base of the crucible and is held therein with an adjusting screw 21. The mild steel cylinder acts as a shunt for the magnetic field in the area of the crucible. This prevents magnetic lines of force from penetrating the crucible, which ensures that the substance is heated evenly. as unwanted and unwanted changes in the impact area cannot occur. This also greatly reduces the risk of erosion due to excessive heating on one side of the crucible. Furthermore, a long working cycle per crucible filling can be achieved because a change in the level of the molten substance in the crucible has practically no undesirable side effects. If, for example, an aluminum charge with a power of 12 kW is evaporated, an uninterrupted working cycle of more than an hour can be carried out.

Die genaue Höhe d;r magnetischen Abschirmung wird nach den jeweils geforderten Systemeigenschaften gewählt, aber es hat sich gezeigt, daß beispielsweise bei einer Tiegeltiefe von 25 mm eine Axialhöhe der magnetischen Abschirmung von 12 mm ein zufriedenstellendes Arbeiten ermöglicht. Die Stärke der magnetischen Abschirmung ist stets so groß zu wählen, daß die magnetischen Kraftlinien in ausreichendem Maße zurückgehalten werden.The exact height of the magnetic shielding depends on the required system properties selected, but it has been shown that, for example, at a crucible depth of 25 mm, an axial height of the magnetic shielding of 12 mm enables satisfactory work. The strength of the magnetic Shielding must always be chosen so large that the magnetic lines of force are sufficiently large be held back.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patient entitlements:

1. Device for melting and subsequent evaporation of substances with a die Substance-containing crucible, an arrangement provided essentially laterally next to the crucible for generating an electron beam and with one having two opposing pole pieces Deflection device for generating at least one transverse to the electron beam and directing the electron beam in a curved path onto the substance surface Magnetic field, characterized that in the area between the pole pieces (16, 17) and the crucible (12) one for the transverse magnetic field a shunt-forming magnetic shield (19) made of magnetically soft material is arranged is.

2. Device according to claim 1, characterized in that the magnetic shield (19) runs coaxially to the crucible (12).