DE4428508C2 - Elektronenkanone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls hoher Leistungsdichte zum Verdampfen von Materialien im Grobvakuum.

Elektronenkanonen zum Verdampfen der verschiedensten Materialien sind in unter­ schiedlichen Ausführungen bekannt. Für Strahlleistungen im Bereich einiger kW bis zu mehreren 10 kW finden häufig sogenannte Transverseguns Verwendung. Diese Elektronenkanonen arbeiten mit Beschleunigungsspannungen von 5 bis 15 kV. Der Elektronenstrahl wird bei dieser Kanonenart um 180° bis 270° aus der Emissions­ richtung heraus auf das Verdampfungsgut gelenkt. Die erzielte Leistungsdichte am Verdampfungsort ist mit Werten um einige 10³ Watt/cm² relativ gering. Transverse­ guns sind zum Verdampfungsraum nicht oder nur schwach druckentkoppelt. Sie können deshalb nur zur Verdampfung unter Hochvakuumbedingungen verwendet werden (Schiller/Heisig, Bedampfungstechnik (1975), VEB Verlag Technik, S. 59 u. 60).

Für das Hochrate-Elektronenstrahlverdampfen kommen vorwiegend Axialkanonen mit Strahlleistungen bis zu mehreren 100 kW zum Einsatz. Sie arbeiten mit einer Beschleunigungsspannung bis zu etwa 50 kV. Der Elektronenstrahl wird seltener di­ rekt, meist im Winkel bis 90° abgelenkt, auf dem Verdampfungsgut zur Einwirkung gebracht. Durch eine dynamische Strahlablenkung kann die Elektronenstrahlleistung auf Verdampfungsflächen verteilt werden, die sehr groß gegen den Strahlquerschnitt sind. Die typischen Leistungsdichten, mit denen der Elektronenstrahl auf dem Ver­ dampfungsgut einwirkt, sind mit einigen 10⁴ W/cm² eine Größenordnung höher als bei Transverseguns. Die Strahlerzeugung erlaubt eine gewisse Druckentkopplung zwischen der auf Hochvakuum evakuierten Strahlquelle und dem Verdampfungs­ raum, der sich auf einem Druckniveau bis etwa 1 Pa befinden kann. Diese Eigen­ schaft von Axialkanonen, ihre relativ hohe Elektronenenergie und die hohe verfüg­ bare Strahlleistung und -leistungsdichte macht sie als Elektronenstrahlquelle zur Hochrateverdampfung für große Beschichtungsflächen und für die plasmagestützte Elektronenstrahlbedampfung geeignet (DD 237 932 B1, Schiller, Heisig, Bedampfungstechnik (1975), VEB Verlag Technik, S. 55 bis 58).

Die vorstehend beschriebenen Elektronenkanonen zur Efektronenstrahlverdampfung versagen jedoch, wenn der Verdampfungsprozeß im Grobvakuumbereich bis zu mehreren 100 Pa und mit noch höherer Leistungsdichte erfolgen soll.

Es sind auch Elektronenstrahlerzeuger bekannt, auch als Axialkanonen ausgebil­ det, deren Strahlführungseinheit magnetische Linsen, Druckstufenblenden und eine evakuierbare Zwischenkammer aufweisen. An die Strahlführungseinheit schließen sich die Ablenkspulen und daran der Prozeßraum an (DD 47 652). Die­ se Elektronenkanone hat im Hinblick auf die dem Patent zugrunde liegende Auf­ gabe den Nachteil, daß bei einem Druckunterschied von 0,01 Pa von der Strahl­ quelle zu 1,0 Pa im Prozeßraum Prozesse im Grobvakuum, wie Verdampfungs­ prozesse, im Druckbereich bis zu mehreren 100 Pa mit hoher Strahlleistung nicht durchführbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vom technischen Stand gesetzten Grenzen bezüglich Arbeitsdruck und Leistungsdichte im Elektronenstrahl zu über­ winden und eine Elektronenkanone zu schaffen, die es gestattet, einen Verdamp­ fungsprozeß im Druckbereich bis zu mehreren 100 Pa mit einer Strahlleistung um 10 kW und höher bei einer Leistungsdichte bis <10⁵ W/cm² durchzuführen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 be­ schrieben.

Die erfindungswesentliche Strahlführungseinheit ist in ihrer Länge unter Berücksich­ tigung der Strahlapertur der Elektronenstrahlquelle derart gewählt, daß der Elektro­ nenstrahl in das Mundstück konvergent, aber mit geringer Strahlapertur eintritt. Der Strahlfokus wird dabei in eine Ebene gelegt, die zwischen der Austrittsöffnung des Mundstücks und dem Verdampferort liegt. Die Austrittsöffnung des Mundstücks be­ steht aus einer kurzen zylindrischen Bohrung, die auf der der Elektronenquelle zugewandten Seite in eine Rotationsfläche übergeht, deren Flä­ chennormale mit zunehmendem Abstand vom zylindrischen Teil der Öffnung einen progressiv abnehmenden Winkel zur Strahlachse bildet. Der Durchmesser des zy­ lindrischen Teils der Öffnung wird größer als der Strahldurchmesser in diesem Be­ reich gewählt.

Das auf Grund des Druckgefälles aus dem Arbeitsraum über die Öffnung des Mundstücks in die Strahlführungseinheit einströmende Arbeitsgas wird über die angeschlossene Evakuierungseinrichtung auf einem Druckniveau im Bereich 1 Pa abgepumpt.

Durch Stöße zwischen den Strahlelektronen und den Restgasatomen in der Strahl­ führungseinheit wird ein kleiner Teil der Strahlelektronen aus ihrer ursprünglichen Richtung um zumeist sehr kleine Winkel abgelenkt. Der Elektronenstrahl spaltet sich dadurch in der Strahlführungseinheit, insbesondere im Bereich des Mundstücks, in dem der Gasdruck auf kurzer Distanz stark ansteigt, in einen Kernstrahl und einen Streustrahl auf. Der Kernstrahl entspricht dabei bezüglich Leistungsdichte und Strahlapertur weitestgehend den Verhältnissen im Fokus des ursprünglichen Elek­ tronenstrahls. Der Streustrahl umgibt den Kernstrahl konzentrisch. Der Druck in der Strahlführungseinheit ist abgestimmt auf die Elektronenenergie so gewählt, daß nur ein sehr kleiner Teil der Strahlelektronen im Streustrahl geführt wird. Die Leistungs­ dichte im Streustrahl ist gegenüber dem Kernstrahl um Größenordnungen geringer.

Die Bohrung des Mundstücks wird in ihrem Durchmesser größer als der Durchmes­ ser des Kernstrahls, jedoch kleiner als der Durchmesser des Streustrahls gewählt. Bei zentrischem Verlauf zur Bohrung des Mundstückes passiert der Kernstrahl damit verlustfrei die Bohrung. Der Streustrahl trifft dagegen zum Teil auf das Mundstück. Die in diesem verbleibenden Elektronen fließen über den angeschlossenen Arbeits­ widerstand nach Masse ab. Da die im Streustrahl geführte Stromdichte mit zuneh­ mendem Abstand von der Strahlachse abfällt, nimmt der vom Mundstück abfließen­ de Elektronenstrom und damit der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand ein Mini­ mum an, wenn die Bohrungsachse des Mundstücks und die Strahlachse zusammen­ fallen. Die Höhe dieses Minimums ist abhängig vom Strahlstrom, der Art und dem Druck des Arbeitsgases in der Strahlführungseinheit. Bei Ablenkung des Elektronen­ strahls aus der Bohrungsmitte des Mundstücks wird das Mundstück von intensitäts­ stärkeren Zonen des Streustrahls getroffen und der abfließende Strom steigt an. Der Stromanstieg ist bereits bei Ablenkung des Strahles um Bruchteile des Kernstrahl­ durchmessers nachweisbar. Abhängig vom auszuführenden Verdampfungsprozeß wird der Elektronenstrahl über die magnetische Ablenkeinheit um kleine Beträge in unterschiedlichen Richtungen abgelenkt und durch Auswertung der den jeweiligen Ablenkrichtungen zuordenbaren Höhe des vom Mundstück abfließenden Stromes der Elektronenstrahl durch entsprechende Ablenkung mittig zur Öffnung des Mund­ stücks gehalten. Der dieser Art gestaltete Reglungsvorgang wird vorrangig bei wesentlicher Veränderung des Strahlstroms ausgeführt.

Die durch Elektronenrückstreuung vom Prozeßort entstehende und anderen Gesetzmäßigkeiten unterliegende Ladungsträgerbelastung des Mundstücks wird durch eine unmittelbar nach dem Mundstück angeordnete, auf Massepotential gehaltene Blende, mit einer gegenüber dem Mundstück nur wenig größer gewählten Öffnung, hinreichend eliminiert.

Beim Eintritt des Elektronenstrahls in den Arbeitsraum höheren Druckes entsteht ein Plasma. Im Bereich des Kernstrahls hoher Leistungsdichte wird dadurch eine positi­ ve Raumladung gebildet. Unter der Einwirkung dieser Raumentladung wird der mit geringer Apertur eingeschlossene Elektronenkernstrahl entgegen dem strahlengeo­ metrisch zu erwartenden Verlauf über eine größere Distanz praktisch parallel ge­ führt, so daß seine hohe Leistungsdichte weitgehend erhalten bleibt. Erst nach die­ ser Distanz überwiegen die streubedingten Elektronenverluste im Kernstrahl und führen zu zunehmendem Leistungsdichteverlust und schließlich zur vollständigen Zerstreuung des Elektronenstrahls. Der Verdampfungsort wird vorzugsweise inner­ halb einer Distanz gewählt, indem die Leistungsdichte des Kernstrahles hinreichend groß ist. Die Strahlleistung liegt vorzugsweise im Bereich mehrerer kW bis zu eini­ gen 10 kW.

Die hohe Leistungsdichte des Elektronenstrahls kann am Verdampfungsort zur Ausbildung einer dampferfüllten Kapillare führen. Dadurch ergibt sich eine gegen­ über der üblichen Verdampfung von einer ebenen Oberfläche abweichende Richt­ charakteristik der Dampfstromdichteverteilung mit neuen anwendungstechnischen Möglichkeiten.

Es kann ferner zweckmäßig sein, im oder nach dem Bereich des Mundstückes oder im Bereich des Verdampfungsortes eine weitere Ablenkeinheit anzuordnen. Dadurch kann der Elektronenstrahl auf dem Verdampfungsgut über eine größere Fläche zur Einwirkung gebracht werden. Um bei geringen Abständen dieser Ablenkeinheit zur Strahlaustrittsöffnung der Elektronenkanone die empfindliche Strahlführung durch das Mundstück nicht zu stören, ist es im allgemeinen notwendig, die Ablenkwirkung eines in die Strahlführungseinheit eingreifenden magnetischen Streufeldes zu elimi­ nieren. Dazu wird ein der Ablenkfunktion dieser Ablenkeinheit proportionaler Strom der magnetischen Ablenkeinheit der Elektronenkanone zugeführt. Der infolge von Wirbelstromverlusten in der Strahlführungseinheit gegebenenfalls frequenzabhän­ gige Proportionalitätsfaktor wird derart gewählt, daß die erzeugte Strahlablenkung in der Ebene des Mundstücks die Störablenkung gerade kompensiert. Bei Anordnung der magnetischen Ablenkeinheit in der Elektronenkanone in Strahlrichtung vor der magnetischen Linse ist natürlich die von der Linsenerregung abhängige Rotation der Ablenkrichtung durch das Linsenfeld geeignet zu berücksichtigen.

Es kann auch vorteilhaft sein, die Wirkung des magnetischen Streufeldes im Bereich des Mundstücks dadurch zu eliminieren, daß das Streufeld durch Einsatz geeigneter Materialien für das Mundstück und andere umgebende Teile derart abgeschirmt wird, daß keine unzulässige Ablenkwirkung auf den Elektronenstrahl im Bereich des Mundstücks erfolgt.

Eine andere zweckdienliche Lösung, den Elektronenstrahl auf dem Verdampfungs­ gut über einer größeren Fläche zur Einwirkung zu bringen, besteht darin, den Elek­ tronenstrahl durch Einsatz einer Doppelablenkeinheit im Strahlführungsteil der Elek­ tronenkanone derart zweidimensional abzulenken, daß der Drehpunkt des abgelenk­ ten Elektronenstrahls in der Ebene des Mundstücks liegt.

In Ausführungsbeispielen ist die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: eine Strahlführungseinheit der Elektronenkanone

Fig. 2: den Verlauf des Elektronenstrahls in der Umgebung des Mundstücks

Fig. 3: eine Anordnung einer speziellen Ablenkeinheit im Bereich des Mundstücks.

Der in Fig. 1 nicht näher dargestellte, bekannte Teil einer Elektronenkanone besteht aus einer separat evakuierbaren Elektronenstrahlquelle mit einer elektronenstoßge­ heizten Wolframbolzenkatode, einer Steuerelektrode und einer auf Massepotential befindlichen Anode unterhalb der eine magnetische Ablenkeinheit zur zweidimen­ sionalen Strahlablenkung und eine magnetische Fokussierungslinse angeordnet sind. Der Aufbau dieses Teiles der Elektronenkanone entspricht der bekannten Ausführung, wie sie etwa zum Elektronenstrahlschweißen eingesetzt wird. Daran angeschlossen ist erfindungsgemäß eine Strahlführungseinheit 1, die über den Stutzen 2 mit einer Evakuierungseinrichtung verbunden ist, die es gestattet, die Strahlführungseinheit 1 auf ein Vakuum von etwa 1 Pa zu evakuieren. Über den Flansch 3 ist die Elektronenkanone an der Verdampfungskammer angeordnet. Die Strahlführungseinheit 1 ist in Strahlrichtung mit einem über die Isolatoren 4 und 5 elektrisch isolierten Mundstück 6 und einer auf Massepotential liegenden Blende 7 gegen den Verdampfungsraum 8 abgeschlossen. Das Mundstück 6 ist über seine metallische Halterung 9 und einen elektrischen Arbeitswiderstand 10 mit Massepo­ tential verbunden. Der auf das Mundstück 6 treffende Ladungsträgerstrom erzeugt am Arbeitswiderstand 10 eine proportionale Spannung, die am Punkt 11 abgenom­ men und über eine nicht näher dargestellte elektrische Durchführung aus der Elek­ tronenkanone herausgeführt ist. Zwischen dem Mundstück 6 und seiner Halterung 9 befindet sich ein wasserdurchströmter Kühlkanal 12, über den die durch auftreffende Elektronen erzeugte Wärme abgeführt wird. Die zentrale Öffnung 13 des Mund­ stücks 6 ist als zylindrische Bohrung 14, die in einer Rotationsfläche 15 ausläuft, ausgeführt. Der Durchmesser der Bohrung 14 ist größer als der Kernstrahldurch­ messer in diesem Bereich.

Wie in Fig. 2 dargestellt, spaltet sich durch Streuung des Elektronenstrahls 16 am Restgas 17 in der Strahlführungseinheit der Elektronenstrahl 16 in einen Kernstrahl 18 und einen diesen umschließenden Streustrahl 19 auf. Der Streustrahl 19 trifft zum Teil auf dem Mundstück 6 auf und erzeugt am Arbeitswiderstand 10 einen Spannungsabfall. Bei exakt zentrischem Verlauf des Kernstrahls 18 zum Mundstück 6 nimmt der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand ein Minimum an. Dieser Um­ stand wird in Verbindung mit willkürlichen geringfügigen Strahlablenkungen in ver­ schiedenen Richtungen über die magnetische Ablenkeinheit und eine entspre­ chende Auswerteeinheit genutzt, um den Elektronenstrahl 16 stets mittig zum Mundstück 6 zu führen.

In Fig. 3 ist die Anordnung einer zusätzlichen speziellen Ablenkeinheit im Bereich des Mundstücks 6 dargestellt. Ein magnetisch weicher Ringkern 20, vorzugsweise aus Ferrit, ist mit paarweisen, den Koordinaten der Ablenkrichtung des Elektronen­ strahls 16 zugeordneten, Rahmenspulen 21 belegt. Der Strom durch die Rahmen­ spulen 21 erzeugt im Verdampfungsraum 8 ein Magnetfeld 22, welches sich kuppel­ förmig im Bereich des aus dem Mundstück 6 austretenden Elektronenstrahles 16 ausbildet und die gewünschte Strahlablenkung bewirkt. Der magnetische Rück­ schluß des Magnetfeldes 22 erfolgt innerhalb des Ringkerns 20.

Claims (6)

1. Elektronenkanone zur Materialverdampfung im Grobvakuum, bestehend aus einer separat evakuierbaren Elektronenstrahlquelle hoher Emissions­ dichte und einem an diese angeschlossenen mindestens eine magnetische Fokussierungslinse und eine magnetische Ablenkeinheit enthaltenden Strahlführungsteil, bei der in Strahlrichtung an der magnetischen Fokussie­ rungslinse eine getrennt evakuierbare Strahlführungseinheit (1) angeordnet ist, die durch ein elektrisch isoliert angeordnetes und mit einem Arbeitswi­ derstand (10) an Massepotential geführtes Mundstück (6) mit zentraler Öff­ nung (13) gegen den Verdampfungsraum (8) mit höherem Arbeitsdruck ab­ geschlossen ist.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Mundstück (6) eine auf Massepotential gehaltene Blende (7) mit geringfügig größerer Öffnung als der des Mundstücks (6) angeordnet ist.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungseinheit (1) auf ein Druckniveau in der Größenordnung 1 Pa evakuiert ist.

4. Elektronenkanone nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Öffnung (13) des Mundstücks (6) durch eine kurze zylindrische Boh­ rung (14), die in eine Rotationsfläche übergeht, gebildet ist.

5. Elektronenkanone nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Be­ reich des Mundstücks (6) eine weitere magnetische Ablenkeinheit zur Führung des Elektronenstrahls (16) auf dem Verdampfungsmaterial angeordnet ist.

6. Elektronenkanone nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Be­ reich der Strahlführungseinheit (1) eine Doppelablenkeinheit derart angeordnet ist, daß der Drehpunkt des abgelenkten Elektronenstrahls (16) in der Ebene des Mundstücks (6) liegt.