DE2544725A1 - Elektronenstrahlverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenstrahlverdampfer, bestehend aus einem Strahlerzeuger mit einer beheizbaren Katode, Fokussierungsmitteln und elektromagnetischen Ablenkmitteln zur Umlenkung und Führung des Strahlenbündels, sowie aus einem dem Strahlerzeuger zugeordneten, auswechselbaren, flüssigkeitsgekühlten und vorzugsweise drehbaren Verdampfertiege.l mit mindestens einer Vertiefung für mindestens eine zu verdampfende Substanz und mit unterhalb der Vertiefung(en) im Tiegelsockel angeordneten Strömungskanälen für das Kühlmittel.

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Bei Elektronenstrahl Verdampfern ist es häufig erforderlich, den Verdampfertiegel der jeweiligen Bedampfungsau fgabe anzupassen und ihn hierbei gegebenenfalls auch in kurzen Zeitabständen gegen Verdampfertiegel mit unterschiedlicher geometrischer Gestaltung, d.h. Anordnung von Vertiefungen, auszutauschen. Benötigt werden in der Regel nebeneinander flache Verdampfertiegel großer Breitenausdehnung für die Aufnahme größerer Mengen eines pulverförmigen Guts in einer einzigen, großflächigen Vertiefung. Für andere Zwecke, beispielsweise für die Bildung von Legierungsschichten und/oder Interferenzsystemen auf dem Gebiete der Optik werden häufig Tiegel mit mehreren Vertiefungen für die Aufnahme unterschiedlicher Verdampfungsmaterialien benötigt. Die Vertiefungen können dabei kegel stumpfförmige Ausnehmungen in der Tiegeloberfläche sein, die mehr oder weniger gleichmäßig auf den Umfang verteilt sind. Entweder durch absatzweise Rotation des Verdampfertiegels und/oder durch unterschiedliche Strahlablenkung · können die einzelnen Verdampfungssubstanzen nacheinander in den Strahlengang der Elektronenstrahlen gebracht werden. Es ist beispielsweise auch möglich, den Verdampfertiegel mit mehreren, konzentrischen, ringförmigen Rillen für die Aufnahme unterschiedlicher Verdampfungssubstanzen zu versehen und diese Rillen beispielsweise alternierend durch einen springenden Elektronenstrahl abzutasten, wobei gleichzeitig eine Rotation des Verdampfertiegels durchgeführt wird, um ständig neues Material in den Strahlengang zu bringen. Bei der Mehrstoffbedampfung muß selbstverständlich die Forderung erfüllt werden, daß die Aufdampfanlage zwischen dem Verdampfen der einzelnen Komponenten nicht belüftet werden muß. In der Regel müssen daher für einen Elektronen-

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strahl verdampfer mehrere Tiegelsysteme bereit gehalten werden.

Außerdem kann es vorkommen, daß durch falsche Strahlpositionierung und/oder thermische überlastung des Tiegels beispielsweise nach dem unbemerkten Verbrauch des Verdampfungsguts eine Beschädigung des Tiegels erfolgt, die dessen Ersatz erforderlich macht.

Für den vorstehenden Zweck ist es bereits bekannt, den Verdampfertiegel mit Kühlkanälen unter Zwischenschaltung einer Dichtung mittels eines Flansches lösbar auf einen Grundrahmen zu befestigen, i!n dem die Kühlmittelzu- und ableitungen angeordnet .sind. (DT-OS 2-206 995, Seite 10, letzter Absatz, Seite 11, Absatz 1). Die Konstruktion des Tiegels ist hierbei jedoch kompliziert, da jeder Tiegel mit vollständigen Kühlkanälen bzw. Hohlräumen ausgestattet werden muß, die bei drehbaren Tiegeln außerdem noch eine vakuumdichte Abdichtung zwischen dem drehbaren und dem feststehenden Teil erforderlich machen·. Dieser Konstruktionsaufwand wiederholt bei jedem der gegeneinander austauschbaren Tiegel systeme. Ein solcher Tiegel läßt sich außerdem schlecht reinigen, was insbesondere im Hinblick auf die meist geforderte hohe Reinheit aufgedampfter Schichten von erheblicher Bedeutung ist. Auch die Montagearbeiten beim Austausch des Tiegelsystems gestalten sich schwierig, so daß der gesamte Elektronenstrahl! verdampfer zu diesem Zwecke ausgebaut werden muß, zumal das System von Strömungs- bzw. Kühlmittel kanälen hierbei geöffnet wird. Eine Demontage innerhalb der Vakuumkammer ist schwierig, umständlich und zeitraubend, bei bestehenden Vakuum ist sie naturgemäß gar nicht möglich.

Es ist außerdem schon bekannt, allein das drehbare Tiegel-

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teil auszutauschen und hierbei die Verbindung gegenüber dem- feststehenden Teil aufzuheben. Auch bei einer solchen Lösung wird das System von Kühlmittel- bzw. Strömungskanälen geöffnet; zu dem hat auch ein solcher Tiegel eine komplizierte Gestalt, so daß auch hierbei ein Tiegelaustausch nur bei völliger Demontage des Elektronenstrahl Verdampfers möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahl verdampfer der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß ein Tiegel austausch ohne Demontage oder Teildemontage des Elektronenstrahl Verdampfers und ohne ein öffnen der Kühlmittel- bzw. Strömungskanäle möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Elektronenstrahlverdampfer gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß Verdampfertiegel und Tiegelsockel als getrennte Bauteile ausgeführt sind, und eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, so daß ein abnehmbarer Tiegelaufsatz gebildet wird, und daß der Tiegelsockel im Hinblick auf die Strömungskanäle gegenüber der Umgebung geschlossen ist.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre hat der Verdampfertiegel bzw. Tiegel aufsatz eine äußerst einfache, nur relativ wenige Bearbeitungsgänge erfordernde Gestalt, beispielsweise in Form einer flachen, kreisförmigen Scheibe mit entsprechenden Vertiefungen gemäß den einleitend gemachten Ausführungen. Ein solcher Tiegelaufsatz kann entweder nur lose auf den Tiegelsockel aufgelegt oder mittels einfach zu lösender Befestigungs

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elemente wie Rastungen, Indexstifte etc. mit dem Tiegelsockel verbunden werden. Zum Zwecke eines Umrüstens ist es lediglich erforderlich, den Tiegel aufsatz gegen einen entsprechenden anderen auszutauschen. Es ist auch möglich, in diesen Tiegelaufsatz beispielsweise pulverförmiges oder körniges Verdampfungsmaterial unter hohem Druck einzupressen, um auf diese Weise eine gleichförmige Dichte und damit eine gleichförmige Verdampfungsrate zu erreichen. Ein Einpressen von Pulver unter hohem Druck ist bei den bekannten Verdampfertiegelnnicht möglich, da diese wegen ihrer Hohlräume unter dem Einfluß des Pressendrucks beschädigt würden Ferner ist wegen der leichten Entnahmemöglichkeit auch eine zuverlässige Reinigung des Tiegelaufsatzes beispielsweise unter Zuhilfenahme mechanischer Reinigungsmittel (Sandstrahlen, Ausdrehen etc.) möglich. Es ist sogar möglich, bei teuerem Tiegelmaterial auf einfache Weise eine Instandsetzung durch Abdrehen zerstörter Oberflächenteile vorzunehmen. Außerdem kann der Tiegelaufsatz infolge des relativ geringen Materialbedarfs und der geringen Bearbeitungskosten auch als sogenannter "Wegwerftiegel" ausgeführt sein, der dem Benutzer einer Aufdampfanlage mit eingepreßtem Verdampfungsgut ganz bestimmter Spezifikation überlassen wird.

Vor allem aber kann bei dem erfindungsgemäßen Elektronenstrahl verdampfer der Tiegelaufsatz ohne Demontage des Elektronenstrahl Verdampfers und ohne ein öffnen der Strömungskanäle, ja sogar ohne Aufhebung des Vakuums ausgetauscht werden. Es ist beispielsweise möglich, im Innern einer Aufdampfanlage in Vorratsmagazinen mehrere unterschiedliche Arten von Tiegelaufsätzen vorrätig zu

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halten, die unter Aufrechterhaltung des Vakuums beispielsweise mittels eines Manipulators oder einer anderen Transporteinrichtung nacheinander auf den Tiegelsockel aufgesetzt werden können. Aber selbst bei einer Aufhebung des Vakuums sind kürzere Öffnungszeiten und damit kürzere Evakuierungs- und Chargierzeiten zu erreichen.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß ein unmittelbares Bespülen des Tiegelmaterials im Bereiche der Vertiefungen mit einer Kühlflüssigkeit nicht erforderlich ist und daß vielmehr eine Trennfuge einen völlig ausreichenden Wärmeübergang vom thermisch hochbeanspruchten Tiegelaufsatz zum Tiegelsockel gewährleistet. Es ist nicht einmal eine Präzisionsbearbeitung der Berührungsflächen erforderlich. Diese Feststellung steht im Gegensatz zur bisherigen Lehre, die Strömungskanäle für das Kühlmedium bis in unmittelbare Nähe des beheizten Gutes zu führen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungs-. gegenstandes ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelsockel einen senkrechten Rohrstutzen mit einem Flansch für die Befestigung auf einem Grundrahmen sowie einen auf den Rohrstutzen aufgesetzten, mit Hohlräumen versehen Tisch aufweist, der gegenüber dem Rohrstutzen drehbar und durch eine Drehdichtung abgedichtet ist. Der Rohrstutzen kann hierbei in besonders vorteilhafter Weise durch eine konzentrische Leiteinrichtung für das Kühlmedium ergänzt sein.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes seien nach· folgend anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigen:

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Figur 1 eine Draufsicht auf einen vollständigen Elektronenstrahlverdampfer mit einem Tiegelaufsatz mit vier Vertiefungen,

Figur 2 einen Schnitt entlang der Symmetrieebene der Figur 1,

Figur 3 einen Schnitt durch einen Tiegelaufsatz mit nur einer einzigen, großflächigen Vertiefung,

Figur 4 einen Schnitt analog Figur 3 durch einen Tiegelaufsatz mit zwei konzentrischen Ringrillen und

Figur 5 einen Vertikai schnitt durch einen Tiegelsockel mit aufgelegtem Tiegelaufsatz mit einer Ringrille, in die pulverförmiges Verdampfungsgut eingepreßt ist.

In Figur 1 ist mit 1 ein Verdampfertiegel bezeichnet, der als Tiegel aufsatz ausgeführt ist und aus einer massiven Kupferscheibe besteht, in der vier Vertiefungen 2 bis für die Aufnahme der zu verdampfenden Substanz angeordnet sind. Die Mittelachsen der Vertiefungen sind auf einem zur Drehachse 6 des Tiegels konzentrischen Kreis 7 angeordnet. Zur Fokussierung und Umlenkung des Elektronenstrahlbündels ist ein Paar von blockförmigen Polschuhen 8 und 9 vorgesehen, die mit einer kegelstumpfförmigen Ausdrehung Io bzw. 11 versehen sind. Die Mantellinien der kegelstumpfförmigen Ausdrehungen habe dabei einen solchen 'Öffnungswinkel, daß der aufsteigende Dampfstrahl nicht behindert wird.bzw. nicht auf den Polschuhflächen kondensiert. Die Polschuhe 8 und 9 be-

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sitzen je eine abgeschrägte Fläche 12 bzw. 13, die zusammen einen etwa v-förmigen Kanal bilden. Die Polschuhe 8 und 9 mit den Flächen 12 und 13 stellen zusammen ein Hauptpolschuhsystem dar, durch welches das Elektronenstrahblindel um einen Winkel von 18o Grad abgelen.kt und auf einer bogenförmigen Bahn geführt und auf das Verdampfungsgut abgelenkt wird. In der Darstellung gemäß Figur 1 nimmt die Vertiefung/eine solche Position ein, daß sie bzw. ihr Inhalt die Zielfläche fiir ein aus einer öffnung 14 austretendes Elektronenstrahlbündel darstellt. Das Elektronenstrahlbündel wird im Innern eines Strahlerzeugers 15 gebildet. Die Symmetrieachse einer 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 Hi Ifspolschuhsystem 18 bilden, dessen beide Polschuhe 19 und 2o von der Zielfläche bzw. der Vertiefung 2 aus/gesehen hinter der · Symmetrieachse der Katode bzw. der öffnung 14 liegen. Die sich gegenüberliegenden Enden der Polschuhe 19 und

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2o bilden die Austrittsflächen 21, die einen in Richtung auf die öffnung 14 geöffneten Keilwinkel einschliessen. Der öffnungswinkel beträgt im vorliegenden Falle 9o Grad.

In Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Strahlerzeuger 15 enthält - hier nur symbolisch dargestellt - eine elektrisch beheizbare Katode 24, deren Emissionsfläche 25 von einer Fokussierungsel ektrode 26 in Form eines Wehnel t-Zylinders umgeben ist. Die Symmetrieachse dieser Anordnung fällt

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mit dem anfänglichen Verlauf der Achse des Strahlenbündels 23 zusammen. Die auf Erdpotential liegende Kammerwand 56 ist gleichzeitig Beschleunigungsanode; sie enthält die öffnung 14 für den Durchtritt des Elektronenstrahl bündel s.

Der Verdampfertiegel 1 liegt dabei auf einem mit einen Hohlraum 38 versehen Tisch 34 und ist mit diesem um die Drehachse 6 drehbar, wodurch nacheinander die verschiedenen Vertiefungen 3 bis 5 an die Stelle der Vei— tiefung 2 gebracht werden können. Zur Herbeiführung der Drehbewegung dient ein Kettenrad 27 in Verbindung mit einem nicht dargestellten zweiten Kettenrad und einer Kette, durch die eine absatzweise oder kontinuierliche Rotation des Tische 34 herbeiführbar ist. Der Tisch 34 ist hohlwandig ausy, r* und auf einen Rohrstutzen 28 unter Zwischenschaltung iner zweiteiligen Drehdichtung 41 aufgesetzt, wobei de." Rohrstutzen auch zur Hin- und Rückleitung der Kühlflüssigkeit dient. Der Rohrstutzen besitzt einen Flansch 29, der auf einem Grundrahmen 3o befestigt ist. Dieser ist mit einem gestrichelt dargestellten System von Kühlkanälen57 versehen die die Verbindung zwischen dem Hohlraum 38 im Tisch 34 und den Kühlmittel-Zu- und -ableitungen 31 herstellen. Die intensive Kühlung des Grundrahmens stellt gleichzeitig eine wirksame Wärmeabschirmung für die darunter angeordnete Magnetspule 32 dar. Diese Magnetspule umschließt das Joch 33 des Hauptpolschuhsystems 8/9. Der vordere Schenkel des Jochs 33 ist zum Zwecke der Einblicknahme in die Vorrichtung fortgelassen, der hintere Schenkel, welcher zum Polschuh 8 führt, wird praktisch vollständig durch den Tiegel 1 und den Tisch verdeckt. Klemmen 53 dienen für die nicht näher bezeichnete

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Zuleitung zum Strahlerzeuger 15.

Der Tisch 34 bildet zusammen mit dem Rohrstutzen 28 und dem Flansch 29 sowie den darin untergebrachten weiteren Bauteilen den Tiegelsockel 42, d.h. die Auflage für den eigentlichen Verdampfertiegel 1. Es ist zu erkennen, daß Verdampfertiegel 1 und Tiegelsockel 42 als getrennte Bauteile ausgeführt sind, die sich an einer gemeinsamen, im wesentlichen horizontalen und ebenen Berührungsfläche 43 berühren. Hierdurch wird ein abnehmbarer Tiegelaufsatz gebildet, der die oben aufgeführten Vorteile mit sich bringt. Es ist weiterhin zu erkennen, daß der Tiegelsockel 42 im Hinblick auf die in ihm enthaltenen Strömungskana'le gegenüber der Umgebung geschlossen ist, und zwar auch dann, wenn der Verdampf ertiegel 1 vom Tisch 34 entfernt worden ist. Unter "Umgebung" ist im Innern einer Vakuumaufdampfanlage das dort herrschende Betriebsvakuum zu verstehen. Hieraus ist ersichtlich, daß die Geschlossenheit des Tiegelsockels 42 gegenüber dem Vakuum besondere Vorteile mit sich bringt.

Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf Figur 5 ver- · wiesen.

Figur 3 zeigt einen Verdampfertiegel 1 mit einer Vertiefung 44 in Form einer kegel stumpfförmigen Ausnehmung, die sich über nahezu den gesamten Querschnitt des Tiegels 1 erstreckt. In Figur 4 ist ein Verdampfertiegel 1 dargestellt, in dem durch Stehenlassen eines ringförmigen Steges 45 mit trapezförmigen Querschnitt und einer dazu konzentrischen, mittleren Erhöhung 46 zwei konzentrische Ringrillen 47 und 48 gebildet werden, in die untdr-

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schiedliches Verdampfungsgut eingebracht werden kann.

Figur 5 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Vertikalschnitt durch den Tiegelsockel 42 gemäß Figur 2. Die bisherigen Bezugszeichen wurden beibehalten. Es ist zu erkennen, daß der Tisch 34 unter Zwischenschaltung eines Wälzlagers 49 und einer zweittei!igen Drehdichtung 41 drehbar aber fliissi gkei tsdicht mit dem ortsfest anzubringenden Rohrstutzen 28 verbunden ist. Der Tisch weist zu diesem Zweck einen Haltering 50 auf, der gegen den Tisch in axialer Richtung durch Schrauben 51 verspannbar ist und hierbei das Wälzlager 49 gegen einen nicht näher bezeichneten Bund preßt. Der Haltering 15 bildet mit seiner inneren zylindrischen Fläche gleichzeitig die Gegenfläche für die Drehdichtung 41, die in Nuten im Rohrstuzen 28 eingelegt ist. In dem Rohrstutzen 28 befindet sich ein zentrales Führungsrohr 37, durch welches das Kühlnedium in den Hohlraum 38 geleitet wird. Eine Leiteinrichtung 39 gewährleistet eine gleichmäßige Bestreichung des Hohlraums 38, der als flacher Zylinderraum ausgebildet ist und innerhalb des Tisches 34 eine merkliche radiale Erstreckung hat. Eine Dichtung 35 gewährleistet die vakuum- und flUssigkeitsdichte Verbindung mit dem in Figur 5 dargestellten Grundrahmen 30 (siehe hierzu Figur 2). Auf den Tisch 34 ist im vorliegenden Falle ein Verdampfertiegel 1 aufgesetzt, der eine einzige, zur Drehachse 6 konzentrische Ringnut 52 aufweist, in die pulverförmiges Verdampfungsgut 54 eingepreßt ist. Um eine absolut koaxiale Lage des Verdampfertiegels 1 zur Drehachse 6 des Tisches 34 zu gewährleisten, ist dieser mit einem umlaufenden Randsteg versehen. Zusätzlich kann ein nicht dargestellter Indexstift vorgesehen werden, um eine ungewollte Verdrehung

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zwischen Verdampfertiegel 1 und Tisch 34 zu verhindern. Eine solche Maßnahme ist beispielsweise erforderlich, wenn ein Verdampfertiegel gemäß Figur 1 in unterschiedliche, definierte Positionen zum Elektronenstrahl bündel gebracht werden soll. Die Rückleitung des Klihlmediums geschieht durch einen zum zentralen Führungsrohr 37 konzentrischen Ringkanal 36 im Innern des Rohrstutzens 28.

Die unterschiedlichen Tiegelformen gemäß den Figuren 3, 4 und 5 können sämtlich an die Stelle des Verdampfertiegels 1 gemäß den Figuren 1 und 2 gebracht werden. Durch unterschiedlich starke Ablenkung des Strahlenbündels aufgrund einer stärkeren oder schwächeren Erregung der Magnetspule 32 kann der Brennfleck des Strahlenbündels 23 in radialer Richtung zum Verdampfertiegel 1 bewegt werden. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise die gesamte Innenfläche eines Verdampfertiegels gemäß Figur 3 zu bestreichen oder aber die Ringrillen 47 und 48 eines Verdampfertiegels 1 gemäß Figur 4 alternierend zu beaufschlagen.

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Claims (1)

1. Elektronenstrahl verdampfer, bestehend aus einem Strahlerzeuger mit einer beheizbaren Katode, Fokussierungsmittelη und elektromagnetischen Ablenkmitteln zur Umlenkung und Führung des Strahlenbündeis, sowie aus einem dem Strahlerzeuger zugeordneten, auswechselbaren, f1UssigkeitsgekUhlten und vorzugsweise drehbaren Verdampfertiegel mit mindestens einer Vertiefung für mindestens eine zu verdampfende Substanz und mit unterhalb der Vertiefung(en) im Tiegelsockel angeordneten Strömungskanälen für das Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampfertiegel (1) und Tiegelsockel (42) als getrennte Bauteile ausgeführt sind und eine gemeinsame Berührungsfläche (43) aufweisen, so daß ein abnehmbarer Tiegel aufsatz ge- ·": bildet, wird, und daß. der Tiegelsockel im Hinblick auf die Strömungskanäle gegenüber der "*" Umgebung geschlossen ist.

   Z. Elektronenstrahl verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelaufsatz mit mehreren, auf den Umfang verteilten napfartigen Vertiefungen (2, 3, 4, 5) versehen ist.

   3. Elektronenstrahl verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelaufsatz mit mehreren konzentrischen Ringnuten (47, 48) versehen ist.

   4. Elektronenstrahl verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verdampfende Substanz (54) in den Tiegelaufsatz eingepreßt ist.

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   OBlGJNAL INSPECTED

   5. Elektronenstrahl Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelsockel (42) einen senkrechten Rohrstutzen (28) mit einem Flansch (29) für die Befestigung auf einem Grundrahmen (30) sowie einen auf den Rohrstutzen aufgesetzten, mit Hohlräumen (38) versehenen Tisch (34) aufweist, der gegenüber dem Rohrstutzen drehbar und durch eine Drehdichtung (41) abgedichtet ist.

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