DE3014151C2 - Generator für gepulste Elektronenstrahlen - Google Patents

Description

7. Generator nach Anspruch 3, mit den Merkmalen,

a) ein rohrförmiger Anodenträger (44) ist zum Einstellen des Abstandes (a) zwischen Kathodenscheibe (24) und Netzanode (45) in Richtung der Achse (26) des ersten Schutzrohres (20) verschiebbar auf der Trageinrichtung (25) angeordnet,

b) der Anodenträger (44) ist an einem Ende mit dem die Netzanode (45) bildenden hodxransparenten Metallnetzwerk abgeschlossen.

Die Erfindung betrifft einen Generator für gepulste Elektronenstrahlen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Die Kurzzeittemperatur von Festkörperoberflächen insbesondere von Halbleitern und Metallen ist in den letzten Jahren zu einer wichtigen Präparationsmethode in der Materialtechnologie geworden.

Diese Temperung erfolgt meist durch etwa 100 ns dauernde Lichtimpulse, die durch Laser erzeugt werden. Dieses Verfahren des Laser Annealing (LA) wird u. a. zur Ausheilung von Strahlenschäden in implantierten Halbleiterkris.allen angewandt. Die Vorteile der Kurzzeittemperung an solchen implantierten Halbleiterkristallen gegenüber der konventionellen Temperung im Glühofen liegen vor allem darin, daß es möglich ist, die Strahlenschäden vollständig auszuheilen, aber durch die kurze Applikationszeit des Lichtblitzes eine Ausdiffusion der implantierten Fremdatome >.i! vermeiden. So konnten in vielen Halbleiterkristallen mit LA um Größenordnungen höhere Fremdatomkonzentrationen erhalten werden als nach Tempern im Glühofen.

Die Eigenschaften vieler Halbleiterbauelemente lassen sich verbessern, wenn in ihrem Fertigungsprozeß Kurzzeittemperung angewandt wird. Insbesondere gilt dies für Solarzellen. Während bei der Langzeittemperung im Ofen Defekte aus dem Innern des Halbleiterkristalls an die Oberfläche in die lichtempfindliche Schicht der Solarzelle wandern können und den Wirkungsgrad der Zelle wesentlich beeinträchtigen, ist dies bei LA, bei dem nur die unmittelbare Ofenfläche (die ersten μπι) des Kristalls erwärmt wird, nicht der Fall. Mit LA hergestellte Solarzellen haben daher im gesamten Wellenlängenbereich einen erhöhten Wirkungsgrad.

Die Nachteile des LA liegen hauptsächlich darin, daß die Laserstrahlung an den zu tempernden Halbleiter stark unterschiedlich, und zwar in Abhängigkeit von der Art und Konzentration des Dopanden, ankoppelt. Besonders schwierig wird LA bei Anwendung auf Metalle, die das Laserlich', oft bis zu 95% reflektieren.

Eine von der Leitfähigkeit und ReflektivitSt unabhängige Kurzzeittemperung läßt sich mit Hilfe von gepulsten Elektronenstrahlen erreichen. Die Dicke der Oberflächenschicht, die getempert wird, ist eng korreliert mit der Eindringtiefe der Elektronen, welche wiederum direkt von der Einfallsenergie der Elektronen abhängt. Zum Tempern implantierter Oberflächen einer Dicke von einigen 100 nm sollte die Einfallsenergie im Bereich zwischen 10 und 20keV liegen. Da die zum Tempern notwendige deponierte Pulsenergie etwa im Bereich um 1 Joule/cm² liegt (z. B. Silizium 1 —3 Joule/ cm²), ergeben sich bei 100 ns Pulsdauer Stromdichun des Elektronenstrahls von etwa 1000 bis 3000 A/cm².

Es ist ein Generator für gepulste Elektronenstrahlen der eingangs genannten Art bekannt (IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS 23,1946, No. 5, Seiten 1470 bis 1477), der mit einer Feldemissionsplasmadiode arbeitet. Die Nachteile dieses bekannten Generators bestehen insbesonder darin, daß derartige Plasmadioden nur dann homogene und reproduzierbare Elektronenströme liefern, wenn sie mit Spannungen von mindestens einigen 100 kV betrieben werden- Das ist deshalb der Fall, weil bei einer derartigen Plasmadiode die elektronenemittierende Plasmaschicht durch Gase gebildet wird, die durch Verdampfung von vielen aui der Kathodenfläche herausragenden Whiskern entstehen und die Whisker dadurch verdampfen, daß sie durch den von ihnen selbst emittierten Feldemissionsstrom Joulsche Wärme erzeugen. Eine großflächige, reproduzierbare Whiskerverdampfung setzt elektrische Feldstärken von 200 kV/cm voraus.

Ein anderer Nachteil besteht darin, daß die Betriebsspannung innerhalb einer sehr kurzen Zeit von 10 bis 15 ns an die Plasmadiode anzulegen ist. Das erfordert den Einsatz von Gasentladungsschaltern mit sehr niedriger Induktivität zwischen der Plasmadiode und dem Energiespeicher, der aus einem mit Wasser als Dielektrikum gefüllten Koaxialhochspannungskondensator besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator für gepulste Elektronenstrahlen der eingangs genannten Art zu entwickeln, der auch bei Beschleunigungsspannungen, die um eine Größenordnung kleiner sind als die bekannter Generatoren, einen homogenen und reproduzierbaren Elektronenstrahl erzeugt und einen Gasentladungsschalter zum Zuschalten der Energiequelle auf die Entladungsstrecke des Generators nicht erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einem Generator der

so eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Die mit den vorgeschlagenen Maßnahmen erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß wegen der um eine Größenordnung reduzierten Hochspannung der erforderliche Aufwand wesentlich vermindert wird, daß der induktionsarme Gasschalter entfallt, da die Beschleunigungsspannung direkt an die Kathode angelegt werden kann, und daß der Entstehungsprozeß der Plasmaschicht von der Beschleunigungsspannung unabhängig ist und f'adurch die Energie der Elektronenstrahlung in weitem Bereich einstellbar ist.

Ein Ausführungsbeispiei eines Generators für gepulste Elektronenstrahlen nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schema.i-xhe Darstellung der Elektrodenanordnung,
Fig.2 einen Schnitt eines für gepolte Elektronen-

strahlen mit Stoß- und Zündkondensator.

Die prinzipielle Anordnung der Elektroden des vorgeschlagenen Generators für gepolte Elektronenstrahlen ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Eine scheibenförmige Kathode 1 weist eine zentrale Bohrung ·, 2 auf, in die ein Röhrchen 3 eingesetzt ist, das auf der von der Anode 4 abgewandten Seite um einige Millimeter aus der Kathode 1 herausragt. Auf dieses freie Ende des Röhrchens 3 ist ein Grafitzylinder 5 aufgesetzt, der in einer Bohrung 6 einer Zündelektrode 7 angeordnet ist. m

Die Zündelektrode 7 ist an ein erstes Tragrohr 8, die Kathode 1 ist an ein zum ersten Tragrohr 8 koaxiales zweites Tragrohr 9 angeschlossen. Ein Zündkondensator 10 ist mit einem Anschluß fest auf das zweite Tragrohr 9 der Kathode 1 geschaltet und mit dem _t·, anderen Anschluß über einen Schalter It auf das die Zündelektrode 7 mit dem Grafitzylinder 5 aufnehmende erste Tragrohr 8 schaltbar. Das zweite Tragrohr 9 ist von einem auf Erdpotential geschalteten koaxialen Schutzrohr !2 umschlossen, da? "f.ku'.'nic'ich! >ⁿ pine rfir· >.. Elektrodenanordnung umschließende Vakuumkammer 13 eingeführt ist.

Ein rohrförmiger Anodenträger 14 ist in Achsrichtung verschiebbar auf dem in die Vakuumkammer 13 hineinragenden Ende des Schutzrohres 12 angeordnet. >-, Das freie Ende des Anodenträgers 14 isl durch die Anode 4 abgeschlossen, die aus einem hochtransparenten Metallnetzwerk besteht.

Wird der Zündkondensator 10 mit dem Schaher 11 auf die Zündelektrode 7 geschaltet, so entsteht an der _w Berührungsstelle zwischen dem die Kathode I durchdringenden Röhrchen 3 und dem Grafitzylinder 5 eine Plasmaentladung. Das Zündplasma 15 gelangt durch das Röhrchen 3 in den Entladungsraum 16 zwischen Kathode 1 und Anode 4 und löst hier eine Vakuumentladung aus. Ein zwischen Kathode 1 und Anode 4 geschalteter Stoßkondensator 17. der auf eine der geforderten Elektronenenergie entsprechende Spannung, z. B. U= —20 kV aufgeladen ist, erzeugt in dem Entladungsraum 16 ein elektrisches Feld, durch das aus der Wolke des Zündplasmas 15 ein Strom von Elektronen zur Anode 4 beschleunigt wird.

Zur Erhaltung des Ladungsgleichgewichts werden aus dem Zündplasma gleichzeitig positive Ionen in Richtung zur Kathode I abgesaugt. Dabei kommt es zur Bildung von Kathodenbrennflecken, die bei der folgenden Vakuumplasmaentladung die nötigen Elektronen und die zur Bildung des Plasmas erforderliche Gasmenge (in diesem Fall Metalldampf) bereitstellen. Diese Brennflekke entstehen auf der Kathodenoberfläche meist an Punkten, an denen die Stromdichte der aus dem diffusen Zündplasma 15 abgesaugten Ionen besonders hoch ist. Die Folge äst eine starke Erhitzung dieser Stellen, die daher durch Vorgänge wie thermionische Feldemission und schottkyverstärkte thermionische Emission zu intensiven Elektronenquellen werden. Die ausströmenden Elektronen kompensieren die Raumladung des abgesaugten Ionenstroms, so daß dessen Intensität und die Intensität des emittierten Elektronenstroms zunimmt Die Elektronenstromdichte am Brennfleck kann w) bis zu 10' A/cm² erreichen. Da die Ströme durch ihr Eigenmagnetfeld jedoch ihren geometrischen Querschnitt verkleinern, übersteigt der Gesamtstrom eines Kathodenbrennflecks kaum Werte von 100 A. Daher existieren bei Vakuumentladungen mit hohem Strom es (z. B. 10 000 A) viele Kathodenbrennflecke gleichzeitig. Das ist möglich, weil im Gegensatz zu Gasentladungen die Kathodenbrennflecke von Vakuumentladungen eine Strom-Spannungscharakteristik mit positiver Steigung aufweisen. Der an den Knthodenbrennflecken entstehende Metalldampf strömt mit einer Geschwindigkeit von etwa 10* cm/s in den Entladungsraum 16 zwischen Kathode 1 und Anode 4 und wird auf diesem Wege durch die vielen aus den Brennflecken abgesaugten Elektronen in ein Plasma mit hoher Elektronendichte verwandelt. Aus der anodenseitigen Grenzfläche dieses Plasmas, die sich mit der Strömungsgeschwindigkeit des Metalldampfes zur Anode 4 bewegt, werden Elektronen in Richtung Anode 4 abgesaugt. Da an Kathodenbrennflecken nur Spannungen unterhalb von 100 V abfallen, erhalten diese Elektronen praktisch die gesamte, der Ladespannung des Stoßkondensators 17 entsprechende Energie. Dies gilt allerdings nur solange, bis die anodenseitige Plasmagrenzfläche die Anode 4 erreicht hat. Danach ist der gesamte Entladungsraum 16 zwischen Anode 4 und Kathode 1 mit einem hochleitfähigen Plasma gefüllt und eine eventuell noch vnrhaniHrnp Restpnergie des .Stoßkondensators 17 wird z. B. durch Abstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen abgegeben.

Die abgesaugten Elektronen durchfliegen das die Anode 4 bildende hochtransparente Metallnetz und stehen zur Probenbestrahlung zur Verfugung.

Der Schnitt eines Generators für gepulste Elektronenstrahlen mit voneinander unabhängigen Energiequellen für das Zünden des Entladungsvorganges und das Be'ohleunigen der Elektronen ist in Fig.2 dargestellt.

Ein erstes, auf Erdpotential geschaltetes Schutzrohr 20 ist an dem einen Ende mit dem äußeren koaxialen Anschluß des Stoßkondensators 21 und an dem anderen Ende mit einer Vakuumkammer 22 vakuumdicht verbunden.

Ein zu dem ersten Schutzrohr 20 koaxiales Kathodenrohr 23 ist an dem einen Ende mit dem inneren koaxialen Anschluß des Stoßkondensators 21 und an dem anderen Ende mit einer Kathodenscheibe 24 verbunden. Der in die Vakuumkammer 22 ragende Teil des Kathodenrohres 23 ist von einem an die Wand der Vakuumkammer 22 angeschlossenen rohrförmigen Trageinrichtung 25 koaxial umschlossen. Das erste Schutzrohr 20 weist in dem B'.-reich zwischen Stoßkondensator 21 und Vakuumkammer 22 einen zur Achse 26 des ersten Schutzrohres 20 um 90° versetzten Flansch 27 auf, an den ein zweites Schutzrohr 28 angeflanscht ist. Das zweite Schutzrohr 28 trägt den Zündkondensator 29. der über einen Isolierring 30 mit dem zweiten Schutzrohr 28 verbunden, elektrisch aber isoliert ist. Konzentrisch zu dem Flansch 27 des ersten Schutzrohres 20 ist in dem Kathodenrohr 2C ein Durchbruch 31 angeordnet, an dem ein den rohrförmigen Außenleiter 32 des Zündkondensators 29 bildendes Rohr koaxial zu dem zweiten Schutzrohr 28 angeschlossen ist Koaxial zu dem Außenleiter 32 ist ein massiver Innenleiter 33 angeordnet und mit einem durch eine zentrale Bohrung 34 des Zündkondensators 29 geführten Bolzen 35 verbunden.

Der Innenleiter 33 ist nach seinem Durchtritt durch den Durchbruch 31 rechtwinklig abgebogen und koaxial zu der Achse 26 in Richtung zur Kathodenscheibe 24 geführt Das der Ringkathode 24 zugewandte Ende des Innenleiters 33 weist eine Bohrung 36 auf, in die eine Grafitscheibe 37 eingesetzt ist

Von der Kathodenscheibe 24 führt das Anschlußteil 38 zum Innenleiter 33. Das Anschlußteil 38 weist an seinem dem Innenleiter 33 zugewandten Ende eine

Bohrung 39 auf, deren ebener Grund mit einer Isolierscheibe 40 und deren Wand mit einer Isolierhülse 41 bedeckt ist, so daß der mit seinem Ende in die Isolierhülse 41 eingeführte Innenleiter 33 von dem Anschlußteil 38 der Kathodenscheibe 24 elektrisch isoliert ist.

Die Isolierscheibe 40 weist eine durchgehende zentrale Bohrung 42 auf. Das Anschlußteil 38 weist eine durchgtSende zentrale Bohrung 43 auf. die zu der Kathodenscheibe 24 hin kegelförmig aufgeweitet ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel des Generators für gepulste Elektronenstrahlcn berührt im Gegensatz zur schematischen Darstellung in Fig. I die Grafitscheibe 37 das Anschlußteil 38 nicht. Hier brennt die Zündentladung zwischen 37 und 38 durch die in der dünnen Isolierscheibe 40 angebrachte zentrale Bohrung hindurch

Auf der Trageinrichtung 25 ist ein rohrförmiger Anodenlrager 44 in Richtung der Achse 26 verschiebbar angeordnet, der an einem Ende mit einem die Netzanode 45 bildenden hochtransparenten Metallnetzwerk abgeschlossen ist und das Einstellen eines vorbestimmten Abstandes a zwischen der Oberfläche der Kathodenscheibe 24 und der Netzanode 45 ermöglicht. Auf der von der Kathodenscheibe 24 abgewandten Seite der Netzanode 45 ist ein in bezug auf die Achse 26 und damit den Elektronenstrahl einstellbarer Probentrüger 46 zum Aufnehmen einer mit Elektronen einer vorbestimmten Energie zu bestrahlenden Probe 47 angeordnet.

Die Elektroden 24, 45 und der Probenlräger 46 mit der Probe 47 sind in die Vakuumkammer 22 eingeschlossen.
Der durch die zentrale Bohrung 34 des Zündkondcn-

·> sators 29 vakuumdicht geführte Bolzen 35 ist auf der von dem Innenleiter 33 abgewandten Stirnseite als feststehender Kontakt 49 eines Schalters 50 mit einem Schiebekontakt 51 zum Zuschalten des Zündkondensators 29 ausgebildet.

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Generator für gepulste Elektronenstrahlen mit den Merkmalen,

a) der Generator weist eine Vakuumkammer (13) zum Durchführen von Hochspannungsentladungen auf,

b) in der Vakuumkammer (13, 22) sind eine Kathode (1, 24) und eine für Elektronen hochtransparente Anode (4,45) zum Emittieren von Ladungsträgern, zum Beschleunigen von Ladungsträgern und zum Bestrahlen einer auf der der Kathode (1,24) abgewandten Seite der Anode (4, 45) angeordneten Probe (44) mit beschleunigten Elektronen vorgesehen,

c) als Spannungsquelle für die Hochspannungsentladung, insbesondere eine Metalldampfentladung, ist ein Hochspannungsstoßkondenrator (17,2ί) zwischen Kathode (1,24) und Anode (4, 45) geschaltet,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

d) der Generator weist eine Einrichtung zum ₂% Erzeugen einer den Entladungsvorgang zwischen Kathode (1, 24) und Anode (4, 45) einleitenden Hilfsentladung auf,

e) als Spannungsquelle für die Hilfsentladung ist ein Hochspannungszündkondensator (10, 29) _J0 zwischen die Kathode (I, 24) und eine Zündelektrode (5,37) schaltbar,

f) der Abstand zwischen de/ Kathode (1, 24) und der Zündelektrode \5,37) ist so bemessen, daß beim Zuschalten des Zündk jndensators (10,29) _J5 ein Überschlag zwischen Zündelektrode (5,37) und Kathode (1,24) entsteht und dabei das die Hochspannungsentladung einleitende Zündplasma (15) gebildet wird,

g) die Kathode (1,24) weist eine zentrale Bohrung (2,43) auf, durch die das Zündplasma (15) in den Entladungsraum zwischen Kathode (1, 24) und Anode (4,45) austreten kann,

h) die Anode (4, 45) ist als hochtransparentes Metallnetzwerk ausgebildet, durch das die in dem zwischen Kathode (1,24) und Anode (4,45) infolge der dort anliegenden Spannung des Stoßkondensators (17, 21) bestehenden elektrischen Feldes beschleunigten Elektronen hindurchfliegen, so

i) auf der von der Kathode (1, 24) abgewandte η Seite der netzförmigen Anode (4, 45) ist ein in bezug auf den Elektronenstrahl einstellbarer Probenträger (46) zum Aufnehmen der der Elektronenstrahlung auszusetzenden Probe (47) angeordnet.

2. Generator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der als Energiespeicher eingesetzte Stoßkondensator (17,21) und der Zündkondensator (10, 29) als Wickelkondensatoren ausgebildet sind und jeweils koaxiale Anschlüsse für einen Innenleiter (9,8,23,33) und einen Außenleiter (12,9,20,32) aufweisen.

3. Generator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Merkmale,

a) ein erstes, auf Erdpotential geschaltetes Schutzrohr (20) ist an dem einen Ende mit dem äußeren koaxialen Anschluß des Stoßkondensators (21) und an dem anderen Ende mit der Vakuumkammer (22) vakuumdicht verbunden,

b) ein zu dem ersten Schutzrohr (20) koaxiales Kathodenrohr (23) ist an dem einen Ende mit dem inneren koaxialen Anschluß des Stoßkondensators (21) und an dem anderen Ende mit einer Ringkathode (24) verbunden,

c) der in die Vakuumkammer (22) ragende Teil des Kathodenrohres (23) ist von einer an die Wand der Vakuumkammer (22) angeschlossenen rohrförmigen Trageinrichtung (25), die eine Fortführung des ersten Schutzrohrs (20) darstellt, umschlossen,

d) das erste Schutzrohr (20) weist in dem Bereich zwischen Stoßkondensator (21) und Vakuumkammer (22) einen zu seiner Achse (26) um 90° versetzten Flansch (27) auf,

e) an den Flansch (27) ist ein den Zündkondensator (29) tragendes Rohr (2S) angeschlossen,

f) das das den Zündkondensator (29) tragende Rohr (28) ist über einen Isolierring (30) mit dem Zündkondensator (29) verbunden,

g) konzentrisch zu dem Flansch (27) des ersten Schutzrohres (20) ist in dem Kathodenrohr (23) ein Durchbrach (31) angeordnet, an den ein den rohrförmigen Außenleiter (32) des Zündkondensators (29) bildendes Rohr angeschlossen ist,

h) ein massiver Innenleiter (33) ist koaxial zu dem rohrförmigen Außenleiter (32) angeordnet und mit einem durch eine zentrale Bohrung (34) des Zündkondensators (29) geführten Bolzen (35) verbunden,

i) der Innenleiter (33) ist nach seinem Durchtritt durch den Durchbruch (31) rechtwinklig abgebogen und koaxial zu der Achse (26) des ersten Schutzrohres (20) in Richtung zur Kathodenscheibe (24) geführt (F i g. 2)

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die zentrale Bohrung (34) des Zündkondensators (29) geführte Bolzen (35) auf der von dem Innenleiter (33) abgewandten Stirnseite als feststehender Kontakt (49) eines Schalters (50) zum Zuschalten de; Zündkondensators (29) ausgebildet ist.

5. Generator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Merkmale,

a) das der Kathodenscheibe (24) zugewandte Ende des Innenleiters (33) weist eine Bohrung (36) zum Aufnehmen einer Grafitscheibe (37) auf,

b) der Innenleiter (33) mit der Grafitscheibe (37) ist in eine erste Bohrung (39) eines mit der Kathodenscheibe (24) verbundenen metallenen Anschlußteiles (38) geführt,

c) das Anschlußteil (38) ist von dem Innenleiter (33) elektrisch isoliert durch eine das Ende des Innenleiters (33) umschließende Isolierhülse (41) und eine die Stirnseite des Innenleiters (33) und die freie Oberfläche der Grafitscheibe (37) abdeckende dünne Isolierscheibe (40),

d) die Isolierscheibe (40) weist eine durchgehende zentrale Bohrung (42) auf.

6. Generator nach Anspruch 3, mit den Merkmalen,

a) die Kathode besteht aus einer Kathodenscheibe (24) und einem die Kathodenscheibe (24) mit dem Innenleiter (33) verbindenden Anschlußteil (38),

b) das Anschlußteil (38) weist eine durchgehende Bohrung (43) auf,

c) die Bohrung (43) ist zu der Kathodenscheibe (24) hin kegelförmig aufgeweitet,

d) die Kathodenscheibe (24) ist an ihrer Außenseite mit Hüm auf Hochspannungspotenl'ial geschalteten Kathodenrohr (23) verbunden.