DE4336900A1 - Elektronenstrahlquellen-Anordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Elektronenstrahlquelle für Umgebungen mit hohem Druckdiffe­ rential bzw. mit Vakuum. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Elektronenstrahlerzeuger zur Verdampfung von Materialien zur Dünnschichtniederschlag auf ein Substrat, das sich in einer Umgebung mit hohem bzw. extrem hohem Vakuum befindet.

Eine Anordnung für eine Elektronenstrahlquelle, insbesondere eine Elektronenstrahlquelle, wie sie auf dem Gebiet des Dünn­ schichtauftragens eingesetzt wird, ist im Stand der Technik bekannt. Bei dieser Art von Elektronenstrahlquellen wird üblicherweise ein Glühemissionsmechanismus zur Erzeugung und Beschleunigung eines Elektronenstrahls verwendet. Der beschleunigte Elektronenstrahl wird durch ein Magnetfeld in einen Schmelzbehälter hinein abgelenkt, der ein oder mehrere Materialien enthält. Diese Materialien werden durch den Elek­ tronenstrahl verdampft und auf das gewünschte Substrat nieder­ geschlagen. Eine derartige Anordnung einer Elektronenstrahl­ quelle ist beispielsweise in der U.S.-Patentschrift Nr. 3,883,679 (SHRADER et al.) beschrieben.

Bei den oben beschriebenen Arten von Anordnungen einer Elek­ tronenstrahlquelle, einschließlich der Vorrichtung nach SHRADER, steht üblicherweise ein wassergekühlter Schmelztiegel in einem Metallblock zur Verfügung. Der Emissionsmechanismus ist in einem Abstand zum Schmelztiegel angeordnet, um eine Beschädigung der Emissionsvorrichtung zu vermeiden. Die Dauer- oder Elektromagneten sind derart positioniert, daß ein quer­ verlaufendes oder transversales Magnetfeld zur Ablenkung des Elektronenstrahls und Fokussierung dieses auf den Schmelz­ tiegel erzeugt wird.

Das zur Ablenkung des Elektronenstrahls eingesetzte transver­ sale Magnetfeld wird typischerweise zwischen und im rechten Winkel zu parallelen Polstücken erzeugt, die von einem Einzel­ magneten aus oder zwischen beabstandeten parallelen Magneten verlaufen. Das transversale Magnetfeld weist im allgemeinen gleichförmige Feldlinien zwischen den Magnetstücken, plan­ konvexe Feldlinien oberhalb und an den Enden der Magnetstücke sowie konvexe Feldlinien oberhalb der plankonvexen Feldlinien auf.

Durch die bei der Elektronenstrahlanordnung wie hiermit beschrieben verwendete Magnetanordnung werden Feldlinien am Emissionsort der Elektronenstrahlerzeugeranordnung erzeugt, so daß der emittierte Strahl innerhalb der Anordnung verbleibt und ein Verlust oder eine Streuung des Strahls von dieser weg verhindert wird. Der Strahl wird von der Emissionsvorrichtung in eine im Metallblock ausgebildete Ausnehmung geleitet und dem Magnetfeld ausgesetzt, bei dem er im allgemeinen zunächst durch gleichmäßige Feldlinien, dann durch plankonvexe und konvexe Feldlinien und wiederum durch gleichmäßige Feldlinien hindurchgeht, die den Schmelztiegel umgeben. Der Verlauf des Strahles durch derart sich verändernde Magnetfeldlinien be­ wirkt, daß der Elektronenstrahl mehrmals in seiner Verlaufs­ bahn auseinandergeht (divergiert) und wieder zusammen läuft (re-konvergiert), wodurch mehrere Fokalpunkte entstehen. Die Entstehung mehrerer Fokalpunkte macht eine Fokussierung und Steuerung des Strahls schwierig. Soll der Strahl bewegt wer­ den, dann ist es bedingt durch die sich verändernden Feld­ linien und die mehreren Fokalpunkte schwierig, die Größe, Form und Dichte des neu positionierten Strahles vorherzusagen.

Diese oben beschriebene Problematik bei der Steuerung und Fokussierung von Elektronenstrahlen wird durch die typische Architektur des Emissionsmechanismus aus dem Stand der Technik noch verstärkt. Wie es im oben erwähnten Shrader-Patent be­ schrieben ist, weist der Emissionsmechanismus von Elektronen­ strahlen, wie er zur Verdampfung von Materialien in einer Um­ gebung mit hohem Vakuum verwendet wird, normalerweise einen Elektronen-emittierenden Heizfaden auf, der durch einen Strahlbilder und durch eine Anodenstruktur teilweise abge­ schirmt ist. Das negative Potential am abschirmenden Strahl­ bilder und die Anode erzeugen einen Widerstand gegenüber der Emission von Elektronen vom Heizfaden. Werden Elektronen von dem teilweise abgeschirmten Heizfaden in ein hohes negatives Potential emittiert, dann verlaufen sie zunächst nach unten in einen offenen Hohlraum mit hohem negativen Potential, der die Kathodenanordnung enthält, die im typischen Fall eine unregel­ mäßige Oberfläche mit Einkerbungen, Erhebungen und Schichten­ bereiche bildet. Somit wird der Elektronenstrahl in Emissions­ vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik nach unten durch unregelmäßige elektrostatische Feldlinien hindurch emittiert, ehe er zur Anode hin ansteigt und auf die oben erörterten verschiedenartig geformten Magnetfeldlinien trifft. Bedingt durch die Architektur einer Elektronenstrahlanordnung gemäß dem Stand der Technik, zusammen mit den unterschiedlichen Magnetfeldlinien der zur Ablenkung des Elektronenstrahls verwendeten Magnetanordnungen, ist eine Steuerung und Fokus­ sierung des Strahles auf das Quellenmaterial im Schmelztiegel schwierig.

Ansätze zur Lösung der Problematik der Fokussierung und Steue­ rung von zur Verdampfung in Umgebungen mit hohem Vakuum ver­ wendeten Elektronenstrahlerzeugern konzentrieren sich vorwie­ gend auf Bemühungen, den Elektronenstrahl durch Veränderung der Magnetanordnungen im Aufbau weiterhin zu rekonvergieren. Unter einigen Beispielen hierfür sind zwei Patentschriften im Namen von HANKS, nämlich die U.S.-Patentschrift Nr. 4,835,789 und die U.S.-Patentschrift Nr. 4,947,404. Bei den Vorrichtun­ gen nach HANKS werden eine Vielzahl von kleinen, horizontal oder vertikal ausgerichteten Magneten verwendet, die um den Schmelztiegel herum angeordnet sind. Die Magnete können je nach Erfordernis zur Steuerung des Elektronenstrahls bewegt werden.

Weitere Ansätze zur Steuerung des Strahls ergeben sich aus einer tieferen Anordnung des Schmelztiegels innerhalb der Elektronenstrahlerzeugeranordnung, um die allgemein kreis­ förmige oder ovale Verlaufsbahn des Strahles einzuschränken. Befindet sich der Schmelztiegel unterhalb der oberen Ober­ fläche der Elektronenstrahlerzeugeranordnung, dann kann es passieren, daß verdampftes Material, das auf dem oberhalb des Schmelztiegels ausgebildeten Kühlschnabel erstarrt ist, ab­ blättert und in den Schmelztiegel fällt, wodurch die Dünn­ schichtaufdampfung negativ beeinträchtigt wird. Außerdem sind durch eine Tiefersetzung des Schmelztiegels in die Anordnung hinein der Schmelztiegel und der Elektronenstrahl weiteren unerwünschten abstoßenden Magnetfeldlinien von der Magnetan­ ordnung ausgesetzt. Abstoßende Magnetfeldlinien um den Schmelztiegel herum bewirken, daß die Verlaufsbahn des Elek­ tronenstrahls auf die Wände des Schmelztiegels hin kreist, wodurch sich unerwünschterweise die Temperatur auf den Wänden erhöht. Gemäß der oben erwähnten SHRADER-Patentschrift ist zusätzlich eine magnetische Abschirmung vorgesehen, um zu verhindern, daß unerwünschte Feldlinien auf den Schmelztiegel einwirken. Eine zusätzliche Magnetanordnung kompliziert die Magnetfeldlinien der Anordnung zusätzlich, wodurch die Wirkun­ gen einer Bewegung des Strahls um den Schmelztiegel herum schwieriger vorherzusagen sind.

Wie es sich aus der Erörterung des Standes der Technik ergibt, besteht die Aufgabe, eine verbesserte Elektronenstrahlerzeu­ geranordnung zur Verdampfung von Substanzen in Umgebungen mit hohem oder extrem hohen Vakuum verfügbar zu machen, wobei die Anordnung die Elektronenemission erhöht und eine Magnetanord­ nung bereitstellt, die so ausgelegt ist, daß ein fokussier­ barer, bewegbarer Elektronenstrahl mit einer verbesserten Verlaufsbahn entsteht, die zu dem Schmelztiegel führt und diesen durchläuft und ein gleichmäßiges Abbild der Strahl­ emissionsvorrichtung im Zielpunkt ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die allgemeine Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahlquellenaufbau zur Verdampfung von Substanzen in einer Umgebung mit hohem oder extrem hohem Vakuum zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik überwindet.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der vorliegenden Er­ findung allgemein darin, eine Anordnung einer Elektronen­ strahlquelle bereitzustellen, die es ermöglicht, daß ein abgelenkter Elektronenstrahl ein Abbild der Emissionsquelle im Ziel darstellt, wobei der Elektronenstrahl unter Beibehaltung einer gleichmäßigen Größe, Form und Elektronendichte im Ziel bewegbar ist.

Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung weist eine Elektronenstrahlquellenanordnung einen wassergekühlten Schmelztiegel auf, der in einem metallischen, im allgemeinen rechteckigen Block ausgebildet ist. Die Öffnung eines stumpf­ konischen Schmelztiegels ist im wesentlichen mit dem Oberteil des Blockes bündig. Ein Paar Magnete ist an den Längsseiten des Blockes befestigt, einer auf jeder Längsseite, wodurch parallel beabstandete Magnete mit dem Schmelztiegel zwischen ihnen entstehen. Ein kleinerer Magnet ist an jedem Längsmag­ neten an jedem Ende des Blockes angeordnet, wodurch ein zwei­ tes und ein drittes paralleles Magnetenpaar entsteht. Die sechs Magnete erzeugen plankonvexe Magnetfeldlinien um den Schmelztiegel herum. Zusätzliche plankonvexe Feldlinien mit höherer Feldstärke verlaufen nach außen von den Enden des Blockes mit den vier Magneten. Eine Magnetgrundplatte bildet einen Weg geringer Reluktanz zur Verringerung des Magnetflus­ ses am Schmelztiegel.

Ein Elektronenstrahlerzeugeremissionsmechanismus befindet sich an einem Ende des Blockes und ist vor am Schmelztiegel gebil­ deten Dämpfe geschützt. Der Elektronenstrahlerzeugeremissions­ mechanismus weist einen Emissionsheizfaden auf, der zwischen einem Aufbau eines geteilten Kathodenblockes mit einem Strahl­ abschirmer und einem Strahlbilder angeordnet ist. Aufgrund der Architektur des Elektronstrahlerzeugermechanismus ist es mög­ lich, daß Elektronen, ohne den Magnetfeldlinien des Magneten­ paares ausgesetzt zu werden, frei vom Heizfaden weg auf direk­ tem Wege nach außen durch einen offenen Hohlraum und durch ein im Ende der Elektronenquellenanordnung ausgebildeten Fenster hindurch emittiert werden.

Wenn der frei emittierte Elektronenstrahl die Elektronen­ strahlquellenanordnung verläßt, dann wird der Strahl durch die starken plankonvexen Magnetfeldlinien, die durch die vier Magneten am Ende des Aufbaus erzeugt werden, scharf nach oben gebogen, wo er seine Verlaufsbahn in den Schmelztiegel hinein fortsetzt, wobei die Verlaufsbahn ausschließlich durch plan­ konvexe Magnetfeldlinien verläuft. Das invertierte Abbild am Schmelztiegel ist im wesentlichen eine Eins-zu-Eins-Abbildung des Heizfadens. Der Strahl verläuft im wesentlichen in einer geraden Bahn durch den Schmelztiegel.

Gemäß eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung definiert der Elektronenstrahlquellenaufbau mehrere Schmelz­ tiegel zur Dünnschichtauftragung mehrerer Materialschichten.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektronenstrahlquellenanordnung mit einem Elektronenstrahl­ erzeugermechanismus zu haben, bei dem Elektronen frei außer­ halb der Magnetfeldlinien des Aufbaus emittiert werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die emittierten Elektronen in plankonvexe Magnetfeldlinien inji­ ziert werden.

Zusätzlich erfolgt eine erhöhte Elektronenemission bei niedri­ geren Temperaturen und mit geringerem Stromverbrauch sowie eine erhöhte Verdampfung des Zielmaterials.

Ein unerwünschter Magnetfluß am Schmelztiegel wird verringert, und zwar so, daß der Elektronenstrahl nur durch plankonvexe Magnetfeldlinien abgelenkt und fokussiert wird.

Der Schmelztiegel befindet dich im wesentlichen an der oberen Fläche der Anordnung, um eine Verunreinigung des Quellenmate­ rials verhindern.

Jedwede Umgebung mit hohem oder extrem hohem Vakuum ist zur Ablenkung und Fokussierung eines Elektronenstrahls geeignet.

Schließlich ist es ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Elektronenstrahlquellenanordnung zur Verhinderung einer Verunreinigung abgeschirmt ist.

Diese und weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Elektronenstrahlquellen­ anordnung, zum Teil aufgeschnitten, zur Verdampfung eines Materials in einer Umgebung mit hohem Vakuum, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ver­ körpert;

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt der Elektronenstrahl­ quellenanordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Stirnansicht gegen die Elektronenstrahlquelle gemäß Fig. 1, die den Heizfaden des Elektronen­ strahlerzeugermechanismus zeigt, und mit einer teilweise aufgeschnittenen Ansicht der Magnet­ anordnung;

Fig. 4 eine Stirnansicht des Heizfadens und des Elektronen­ strahlerzeugermechanismus gemäß Fig. 3 ohne das Gehäuse;

Fig. 5 einen Seitenaufriß des Elektronenerzeugers zur Fig. 4;

Fig. 6 einen vergrößerten Aufriß der Positionierung des Heizfadens bezüglich der Kathodenanordnung und der Anode;

Fig. 7 eine Seitenansicht der Magnetanordnung, in der die Bahn des Elektronenstrahls vom Elektronenstrahl­ erzeuger zum Schmelztiegel gezeigt ist, wobei letzterer versteckt dargestellt ist;

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Magnetanordnung gemäß Fig. 7, in der die Magnetfeldlinien dargestellt sind;

Fig. 9 eine Stirnansicht der Magnetanordnung gemäß Fig. 7, wobei die Magnetfeldlinien und der Schmelztiegel versteckt dargestellt sind;

Fig. 10 eine Diagrammansicht eines Abbildes der Quelle, wie es durch ein Modell eines Systems plankonvexer opti­ scher Linsen erzeugt wird;

Fig. 11 eine Umgebungsansicht des Elektronenstrahlquellen­ aufbaus gemäß vorliegender Erfindung in einer Umge­ bung mit hohem Vakuum;

Fig. 12A u. 12B jeweils eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung, in der ein Elektronenstrahlquellenaufbau mit vier Schmelztiegeln zur Aufdampfung mehrerer Dünnschich­ ten auf ein Substrat dargestellt ist.

Eine Elektronenstrahlanordnung zur Verdampfung von Materialien zur Dünnschichtauftragung auf ein Substrat in einer Umgebung mit hohem Vakuum, die die Prinzipien der vorliegenden Erfin­ dung verkörpert, ist in den Fig. 1 und 2 unter der Bezugs­ ziffer 20 dargestellt.

Die Elektronenstrahlquellenanordnung 20 befindet sich in einem allgemein rechteckigen Kupferblock 2 mit einem kreisförmigen Kupfer-Schmelztiegel 4 mit stumpfkonischen Seitenwänden 6, eine Bodenwand 8 und einem Rand 10.

Herkömmliche Kanäle 12 sind im Block 2 zur Zirkulierung von Wasser oder eines anderen geeigneten Kühlmittels von einem Kühlmitteleinlaß 14 durch die Kanäle 12 an einen Auslaß 15 ausgebildet. Es sind ferner herkömmliche Verbindungselemente 16 und Verbindungslaschen 18 vorgesehen.

Eine Grundplatte 22 des Blockes 2 ist aus einem magnetischen Material hergestellt, das einen Weg mit geringer Reluktanz ergibt. Ein rechteckiger Dauermagnet 24 ist auf der Grund­ platte 22 entlang einer langen Seite des Blockes 2 angeordnet und ein zweiter rechteckiger Dauermagnet 25 befindet sich auf der Grundplatte 22 entlang der gegenüberliegenden langen Seite des Blockes 2 und parallel zum Magneten 24. Der Magnet 24 befindet sich mit seinem Nordpol oben auf der Anordnung und sein Südpol befindet sich an der Grundplatte 22. Der Magnet 25 befindet sich mit seinem Südpol oben auf der Anordnung und mit seinem Nordpol an der Grundplatte 22. Der obere Teil des Schmelztiegels 4 verläuft im wesentlichen in einer Ebene mit oberen Oberflächen 26 eines jeden Magneten 24, 25.

In den Fig. 8 und 9 ist ein zweites Paar gegenüberliegender Dauermagneten 28, 29 auf der Grundplatte 22 und auf ebenen Endoberflächen der Magnete 24, 25 angeordnet. Die kleineren Dauermagneten 28, 29 haben vorzugsweise dieselbe Höhe wie die Magneten 24, 25, obwohl anderen Konfigurationen und Höhen für anderen Ausführungsformen geeignet sein können. Die Polari­ täten der Magnete 28, 29 sind genauso angeordnet wie die Polaritäten der Magnete 24, 25.

Ein drittes Paar gegenüberliegender Dauermagnete 21, 23 befin­ det sich auf der Grundplatte 22 und auf den ebenen Oberflächen der Magnete 24, 25 am gegenüberliegenden Ende des Blockes 2. Die Magnete 21, 23 haben vorzugsweise dieselbe Höhe wie die Magnete 24, 25, obgleich andere Konfigurationen und Höhen für andere Ausführungsformen geeignet sein können. Die Polaritäten der Magnete 21, 23 sind ebenso angeordnet wie die Polaritäten der Magnete 24, 25.

Die durch die Anordnung der Dauermagnete 24, 25, 28, 29, 21, 23 in Verbindung mit der magnetischen Grundplatte 22 erzeugten Magnetfeldlinien sind transversale gleichmäßige Feldlinien "U" zwischen den Magneten, plankonvexe Feldlinien "P" oberhalb der oberen Flächen der Magnete, die von den Enden der Magnete nach außen verlaufen, und konvexe Feldlinien "c" oberhalb der plan­ konvexen Feldlinien "P", die von den Enden der Magnete nach außen über die Feldlinien "P" hinaus verlaufen.

Das durch das Vorhandensein von vier Magneten an jedem Ende der Elektronenstrahlquellenanordnung 20 gebildete Magnetfeld ist aufgrund des geringeren Abstandes zwischen den Polen stärker. Wie ersichtlich ist, gibt es keine gleichförmigen Magnetfeldlinien "U" oberhalb des Randes 10 des Schmelztiegels 4, und ein unerwünschter Magnetfluß am Schmelztiegel, der auch durch diesen hindurch verläuft, wird im wesentlichen durch den Weg geringer Reluktanz, wie er durch die Grundplatte 22 gebildet wird, eliminiert.

Gemäß den Fig. 2, 3, 4 und 5 ist der mit der allgemeinen Bezugsziffer 50 bezeichnete Elektronenerzeugermechanismus in einer Ausnehmung 3 an einem Ende von Block 2 untergebracht. Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, ist der Elektronenerzeu­ germechanismus 50 im wesentlichen in der Elektronenstrahl­ quelle 20 eingeschlossen, mit der Ausnahme eines Fensters 7. Durch einen derartigen Einschluß des Elektronenstrahlerzeu­ germechanismus 50 wird der Emissionsmechanismus sauber gehal­ ten und eine Ablagerung und Anhäufung von Teilchen verhindert.

Der Elektronenstrahlerzeugermechanismus weist eine obere Abdeckung 54 auf, die an einem linken und einem rechten Halte­ block 52 mit Schrauben 56 befestigt ist. Ein Hochspannungs- Isolierblock 58 verläuft zwischen den linken und rechten Halteblöcken 52 und ist an diesen befestigt.

Ein gewickelter Emissionsheizfaden 66, der vorzugsweise aus Wolframdraht geformt und zur Erhöhung des Oberflächenbereiches gewendelt ist, ist mit Schrauben 68 zwischen rechten und lin­ ken Heizfadenklemmen 70 befestigt, welche wiederum durch Schrauben am Oberteil und Unterteil eines Aufbaus 71 mit geteiltem Kathodenblock befestigt sind, wobei der Block 72 gleichmäßige ebene Oberflächen hat und vorzugsweise aus Molybdän hergestellt ist. Der Kathodenblockaufbau 71 weist eine Strahlbilderplatte 74 auf, die mit einer Metallschraube 73 am Oberteil des Kathodenblockes 72 befestigt ist, sowie ein Strahlablenkungsschild 60, das an der vorderen Oberfläche des Kathodenblockes 72 mit Schrauben 62 befestigt wird, indem die Schraube 62 durch einen Heizfadenblockisolierer 64 und in den Kathodenblock 72 hinein verläuft. Die beiden Teile des Aufbaus 71 mit geteiltem Kathodenblock bilden elektrisch getrennte Dipole, wodurch ein elektrostatisches Gleichgewicht entsteht. Eine Anodenplatte 76, die vorzugsweise aus Tantal hergestellt ist, ist unter der Abdeckung 54 angeordnet und bildet einen nach unten verlaufenden Schenkel 77. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, daß auch andere Substanzen für den Heizfaden 66, den Kathodenblockaufbau 71 und die Anodenplatte 76 verwen­ det werden können.

Wie es am besten anhand der Fig. 5 und 6 zu sehen ist, befin­ det sich der Kathodenblock 72 hinter dem Heizfaden 66, dem Strahlablenkungsschirm 60 und der Strahlbilderplatte 74. Der Heizfaden ist zwischen dem Strahlablenkungsschirm 60 und der Strahlbilderplatte 74 angeordnet, wobei sich die Anode über der Strahlbilderplatte 74 befindet, um für die emittierten Elektronen eine hindernisfreie Bahn, die durch den Pfeil "P" gekennzeichnet ist, vom Heizfaden 66 aus zu bilden.

Wechselstrom, durch den vorzugsweise bis zu 1000 Watt Leistung von einem herkömmlichen (nicht dargestellten) Transformator erzielt werden, wird zur Aufheizung des Heizfadens 66 auf ca. 1900°C K zur Auslösung der Elektronenemission verwendet. Der Wechselstrom bewirkt, daß die erregten Elektronen im rechten Winkel zum Heizfaden 66 in ein gleichmäßiges elektrostatisches Feld um den Heizfaden 66 herum hinein emittiert werden, wo­ durch ermöglicht wird, daß die emittierten Elektronen der Bahn "P" durch das steile elektrostatische Feld, das durch die An­ legung von Gleichstrom an den Aufbau 71 mit geteiltem Katho­ denblock entsteht, aus dem Elektronenstrahlerzeugeraufbau 50 heraus durch das Fenster 7 ohne Störung von den durch die Magnetanordnungen 24, 25, 28, 29 erzeugten Magnetfeldlinien folgen. Bei Emission der Elektronen in einer geraden Bahn von dem Heizfaden durch gleichmäßige, steile elektrostatische Kräfte sind die Elektronen in dem Abbild des Heizfadens kon­ zentriert. Wenn der Elektronenstrahl von dem durch den Katho­ denaufbau erzeugten steilen elektrostatischen Feld wegwandert, dann wandert das Abbild des Elektronenstrahls nach oben auf den Anodenausläufer 77 hin, wo sie durch das von dem Aufbau der oben erläuterten Magnetanordnung erzeugte starke plankonvexe Magnetfeld stark abgelenkt wird und einer Bahn "T" folgt, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Die Bahn führt den Elektronenstrahl durch nur plankonvexe Feldlinien "c", wodurch bewirkt wird, daß der Elektronenstrahl an einem Fokalpunkt "F" konvergiert. Der Strahl rekonvergiert am Ziel 100 am Oberteil des Schmelztiegels 4 und es entsteht ein inverses Abbild des Heizfadens auf einer Abbildungsbasis von im wesentlichen Eins­ zu-Eins. Die Bahn oder der Weg des Elektronenstrahls ist an­ hand eines Diagramms eines Modells einer plankonvexen Linse in Fig. 10 veranschaulicht. Der verringerte Magnetfluß um den Schmelztiegel herum und durch diesen hindurch, wie er durch die von der magnetischen Grundplatte 22 erzeugte Bahn mit geringer Reluktanz gebildet wird, ermöglicht, daß der Elektro­ nenstrahl auf im wesentlichen geradem Weg durch den Schmelz­ tiegel verläuft, wobei die Abbildung des Heizfadens im wesent­ lichen beibehalten wird.

Außerdem ist bei Eintreten der Verlaufsbahn des Elektronen­ strahls in den Schmelztiegel der Strahl dem von den Dauer­ magneten 21, 23 erzeugten starken Magnetfeld ausgesetzt. Dieses starke Magnetfeld lenkt jegliche Streuelektronen vom Strahl zurück in Richtung auf das Zentrum des Schmelztiegels 4, wodurch der Strahl zentriert wird. Das von den Magneten 21, 23 erzeugte Magnetfeld fängt auch Sekundärelektronen ein, die vielleicht von den Seiten des Schmelztiegels 4 weg abgelenkt werden.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der in den Fig. 12A und 12B dargestellt ist, hat der Elektronen­ strahlquellenaufbau 20′ mehrere Schmelztiegel zum Aufbringen mehrerer Dünnschichten von Materialien auf das Substrat. Auf­ grund der Fähigkeit zur Fokussierung des invertierten Strahles ist es möglich, das Substrat und den Strahl je nach Bedarf auf einen anderen Schmelztiegel hin zu bewegen, oder in der darge­ stellten Vorrichtung werden die Schmelztiegel unterhalb eines stationären Substrates in ihre Position rotiert. Für den Fach­ mann auf dem Gebiet ist es offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ebenfalls auf eine lineare Anordnung von Schmelz­ tiegeln anwendbar ist.

In Fig. 11 ist der Elektronenstrahlquellenaufbau 20 in einer Umgebungsansicht innerhalb einer großen Vakuumkammer 120 aus Edelstahl dargestellt, die beispielsweise auf einem verrin­ gerten atmosphärischen Druck von unter 760 mm Hg gehalten wird. Ein verringerter atmosphärischer Druck ist erforderlich, um zu ermöglichen, daß der Elektronenstrahl auf seiner mitt­ leren freien Bahn vor Auftreffen auf ein Ziel verläuft.

Obwohl ein rechteckiger Elektronenstrahlaufbau beschrieben wurde, ist es für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, daß die Erfindung auch auf andere Konfigurationen anwendbar ist, beispielsweise kreisförmige, ovale oder quadratische.

Für den Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den obenstehenden Erläuterungen zahlreiche stark variierende Ausführungsformen und Implementierungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann der Elektronenstrahlquellenaufbau in jedweder Umgebung mit hohem oder extrem hohem Vakuum, bei der ein gekrümmter Elektronen­ strahl eingesetzt wird, verwendet werden. Für die Erfindung gibt es Anwendungsmöglichkeit in der Halbleiterindustrie und zur Bereitstellung einer Elektronenstrahlquelle zur Erleich­ terung der Aufbringung einer dünnen festen Schicht auf einem Substrat während der Fertigung, beispielsweise Überzüge oder Beschichtungen für Linsen, Spiegel, Schmuck und andere Dekor­ beschichtungen und -überzüge, sowie Beschichtungen bzw. Über­ züge in der Kraftfahrzeugherstellung. Es können auch Modifi­ kationen vorgenommen werden, um das Abbild am Ziel unter Ver­ wendung herkömmlicher Projizierungstechniken zu vergrößern oder zu konzentrieren. Es sind anstelle von Dauermagneten auch Elektromagneten verwendbar, andere Anzahlen von Magneten können eingesetzt werden, eine unitäre Magnetanordnung ist möglich und die Magneten können in anderen Konfigurationen verwendet werden. Die Abdeckung des Emissionsmechanismus kann entfallen, falls dies gewünscht wird. Die Beschreibung und die hierin aufgeführten Offenbarungen dienen lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung und sollen die vorliegende Erfindung keineswegs einschränken. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist im einzelnen in den nachstehenden Ansprüche festgelegt.

Claims (20)

1. Elektronenstrahlquellenanordnung zur Bereitstellung eines Elektronenstrahls zur Verwendung in einer Umgebung mit hohem Vakuum, wobei die Anordnung folgendes umfaßt:
ein Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines transver­ salen Magnetfeldes mit einer Vielzahl von Arten von Feld­ linien, wobei die Magnetvorrichtung zur Ablenkung des Elektronenstrahls dient;
eine Emissionsvorrichtung, umfassend ein Elektronen­ medium, das eine Form bildet, eine Vorrichtung, die be­ wirkt, daß die Elektronen aus dem Medium emittiert wer­ den, wobei die Elektronen in der Form des Mediums emit­ tiert werden, und eine Vorrichtung zur Beschleunigung der emittierten Form in einer ersten Richtung weg von der Vielzahl von Arten von Magnetfeldlinien und außerhalb der Elektronenstrahlquellenanordnung, so daß sie in einer Elektronenstrahlverlaufsbahn zur Ablenkung durch eine der Vielzahl von Arten von Magnetfeldlinien auf einen gewünschten und bewegbaren Abbildungspunkt hin verläuft, wobei der Elektronenstrahl am Abbildungspunkt im wesent­ lichen die Form des Elektronenmediums bildet.

2. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 1, worin die Emissionsvorrichtung ein Elektronenstrahlerzeuger ist.

3. Elektronenstrahlanordnung nach Anspruch 2, des weiteren umfassend einen Schmelztiegel, der eine durch den Elektronenstrahl zu verdampfende Substanz enthält.

4. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 3, des weiteren umfassend ein Gehäuse, wobei der Schmelztiegel im wesentlichen bündig mit einer oberen Ebene des Gehäuses der Elektronenstrahlquellenanordnung verläuft.

5. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 2, worin es sich bei der einen der Vielzahl von Arten von Magnet­ feldlinien um plankonvexe Magnetfeldlinien handelt.

6. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 3, worin der gewünschte Abbildungspunkt die zu verdampfende Substanz ist.

7. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 5, worin der Elektronenstrahlerzeuger die emittierten Elektronen außerhalb des Gehäuses und außerhalb der Vielzahl von Arten von Magnetfeldlinien injiziert.

8. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 5, worin die Emission der Elektronen aus dem Elektronenmedium mittels Wechselstrom erzielt wird.

9. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 5, worin die Vorrichtung zur Beschleunigung der emittierten Form weg von und aus dem Gehäuse heraus einen Kathodenblock­ aufbau umfaßt, der hinter dem Elektronenmedium angeordnet ist, und eine Öffnung im Gehäuse, die sich vor dem Elektronenmedium befindet.

10. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 5, des weiteren umfassend eine Abdeckvorrichtung zum Schutz der Emissionsvorrichtung.

11. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 5, worin die Magnetvorrichtung ein erstes, ein zweites und ein drittes Paar paralleler, voneinander beabstandeter Magneten und eine Vorrichtung mit einer Bahn geringer Reluktanz umfaßt, wobei das erste Magnetenpaar gegen­ überliegende Magnetpole hat und auf der Vorrichtung mit der Bahn geringer Reluktanz und an einer ersten Seite und einer zweiten Seite der Elektronenstrahlquellenanordnung mit dem Schmelztiegel dazwischen und oberhalb der Vor­ richtung mit der Bahn geringer Reluktanz angeordnet ist, wobei das zweite Magnetenpaar gegenüberliegende Pole ha­ ben und auf der Vorrichtung mit der Bahn geringer Reluk­ tanz und an einem ersten Ende eines jeden des ersten Paares von Magneten angeordnet ist, wobei das dritte Magnetenpaar gegenüberliegende Pole aufweist und auf der Vorrichtung mit der Bahn geringer Reluktanz und an einem zweiten Ende eines jeden des ersten Paares von Magneten angeordnet ist.

12. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 11, worin die Vielzahl von Magnetfeldlinien zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Paar von Magneten gleich­ mäßige Feldlinien, und innerhalb des Schmelztiegels, oberhalb der Magnetenpaare und oberhalb des Schmelztie­ gels und von dem ersten und dem zweiten Ende des ersten Magnetenpaares nach außen verlaufend plankonvexe Feld­ linien, sowie konvexe Feldlinien oberhalb der plankon­ vexen Feldlinien umfassen.

13. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 12, worin die emittierte Form außerhalb des Gehäuses von dem ersten und dem zweiten Magnetenpaar in die plankonvexen Feld­ linien hinein abgelenkt wird und als Elektronenstrahl nur durch die plankonvexen Feldlinien zu der zu verdampfenden Substanz verläuft.

14. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 13, worin der Elektronenstrahl einmal konvergiert, wobei er einen Fokalpunkt bildet, und einmal, an der zu verdampfenden Substanz im Schmelztiegel, divergiert.

15. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 13, worin der Elektronenstrahl im Schmelztiegel im wesentlichen eine Abbildung von Eins zu Eins der Form des Elektronen­ mediums ist.

16. Elektronenstrahlquellenanordnung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine Vielzahl von Schmelztiegeln.

17. Elektronenstrahlerzeugeranordnung zur Verdampfung von Substanzen in einer Umgebung mit starkem Vakuum zur Dünnschichtauftragung, wobei der Aufbau folgendes umfaßt:
ein Gehäuse mit einem Oberteil, einem Boden, zwei Seiten und zwei Enden, wobei in einem ersten der zwei Enden eine Öffnung ausgebildet ist;
eine Schmelztiegelvorrichtung mit einem Rand, der im wesentlichen bündig mit dem Oberteil des Gehäuses ausge­ bildet ist, wobei die Schmelztiegelvorrichtung die zu verdampfenden Substanzen enthält;
eine Magnetfeldvorrichtung zur Bereitstellung einer Vielzahl von Typen von Magnetfeldlinien;
eine in der Öffnung angeordnete Emissionsvorrichtung zur Bereitstellung eines Elektronenstrahls zur Verdampfung der Substanz;
ein oberer Schirm zur Abdeckung der Emissionsvor­ richtung; und
eine Abdeckung für die Öffnung des Gehäuses und mit einem Durchgang durch dieses, so daß der Elektronenstrahl außerhalb des Gehäuses verlaufen kann.

18. Elektronenstrahlerzeugeranordnung nach Anspruch 17, worin die Emissionsvorrichtung folgendes umfaßt:
einen Heizfa­ den zur Emission von Elektronen, der in der Nähe des Durchganges angeordnet ist;
einen Kathodenaufbau, der hinter dem Heizfaden einen Kathodenblock bildet, einen an der Kathode befestigten Strahlbilder, der von dieser oberhalb des Heizfadens nach außen verläuft;
einen an der Kathode befestigten und unterhalb des Heizfadens nach außen verlaufenden Strahlablenkungsschirm; und
eine oberhalb des Strahlbilders angeordnete Anode.

19. Elektronenstrahlerzeugeranordnung nach Anspruch 18, worin Wechselstrom eine Emission von Elektronen von dem Heiz­ faden bewirkt, die emittierten Elektronen die Form des Heizfadens bilden und als Elektronenstrahl in dieser Form in einem direkten Weg durch den Durchgang folgen, außer­ halb des Gehäuses, und über die Vielzahl von Magnetfeld­ linien hinaus.

20. Elektronenstrahlerzeugeranordnung nach Anspruch 19, worin der Elektronenstrahl außerhalb des Gehäuses nach oben auf die Anode hin zu verlaufen beginnt und durch nur eine der Vielzahl von Arten von Magnetfeldlinien auf den Schmelz­ tiegel hin stark abgelenkt wird, wobei der Elektronen­ strahl bei seinem Verlauf durch die eine Art von Magnet­ feldlinien einmal konvergiert und einmal divergiert, bis er in der Form des Heizfadens den Schmelztiegel erreicht.