EP1479090A2 - Kanalfunkenquelle zur erzeugung eines stabil gebündelten elektronenstrahls - Google Patents

Kanalfunkenquelle zur erzeugung eines stabil gebündelten elektronenstrahls

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EP1479090A2
EP1479090A2 EP03702521A EP03702521A EP1479090A2 EP 1479090 A2 EP1479090 A2 EP 1479090A2 EP 03702521 A EP03702521 A EP 03702521A EP 03702521 A EP03702521 A EP 03702521A EP 1479090 A2 EP1479090 A2 EP 1479090A2
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EP
European Patent Office
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hollow cathode
channel spark
channel
source according
dielectric tube
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Application number
EP03702521A
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English (en)
French (fr)
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EP1479090B1 (de
Inventor
Christoph Schulteiss
Lothar-Heinz-Otto Buth
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1479090B1 publication Critical patent/EP1479090B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/02—Electron guns
    • H01J3/025—Electron guns using a discharge in a gas or a vapour as electron source
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/025—Hollow cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/52—Generating plasma using exploding wires or spark gaps

Definitions

  • the invention relates to a channel spark source for generating a bundled electron beam. It is constructed coaxially and consists of a dielectric tube in which a trigger plasma is generated. This is followed at the end by a hollow cathode, to which a dielectric channel spark body attaches. At the end of this channel spark body is an anode, which has a central passage, so that a further piece of dielectric tube forms the anodic end of the entire channel spark tube.
  • a capacitor as an electrical energy store is connected to the anode and the hollow cathode. Lying opposite the hollow cathode, an electrode melted into the bottom of the dielectric tube protrudes into the trigger plasma space. It is connected to earth potential via a spark gap.
  • a charging resistor bridges the electrode in the dielectric tube and the hollow cathode. In principle, this corresponds to a structure as described in DP 42 08 764.
  • the object of the invention is to improve existing channel spark gaps / sources in such a way that very high numbers of shots are achieved, each with a constant beam quality, and such an improved channel spark source can be a component in industrial plants.
  • the approach for the invention lies in the gas occupancy on the inner wall 3 of the channel spark tube 5, the hollow cathode and the connected trigger system 7, it acts as a gas reservoir or internal gas leak that wears out over time. There are no instabilities during this time. However, the energy content of the beam or the power density in this phase is not yet sufficient to effectively ablate. The full beam power density is only observed shortly before the instability occurs. This gives rise to the idea of installing a gas supply in the area of the hollow cathode 1 of the channel spark system and setting a gas pressure there at which the instability does not yet occur, but the beam already has an energy content which can be used for the coating process.
  • the sleeve 21, which is a component of the hollow cathode 1 projects into the hollow cathode 1 from the trigger plasma side with a conical opening opening towards the anode 17 to form an annular gap 13, it ends in front of the anode-side forehead of the hollow cathode 1. It remains so a residual volume with the inside width of the hollow cathode 1, into which the annular gap 13 opens.
  • the field of a permanent magnet 12 or an electromagnet 12 completely penetrates the dielectric tube 7 of the trigger source in sections.
  • the device 12 for generating the magnetic field can be moved along the dielectric tube 7, and the magnetic field axis can also be pivoted. This increases the charge carriers due to electron drift in the trigger plasma and favors the ignition of the channel spark discharge after the trigger plasma has been ignited. Further measures are specified in subclaims 2 to 13 which sustainably support the reliable long-term operation of the channel spark source:
  • the ratio of the length from the entrance to the hollow cathode 1 to the exit from the same to the inside width of the sleeve 21 at the trigger source-side entrance is at least 4 but at most 10.
  • the inside width of the sleeve 21 on the beam exit side is at least equal to the inside Width of the channel spark tube 11.
  • a specially designed valve 16 sits in the gas supply for the metered gas inlet. It consists of a membrane (claim 3), which separates the interior of the hollow cathode 1 from a gas space of higher pressure, through which gas in a correspondingly small amount passes in accordance with the membrane structure, the pressure gradient and the set ambient temperature.
  • the membrane can be, for example, a plastic film made of thermostable materials, such as polyester, polyvinyl chloride, silicone rubber, Teflon (claim 4).
  • the sealing device on one of the two or on both end faces of the hollow cathode 1 has leak structures in the form of micro bumps / channels into the interior of the hollow cathode 1, through which gas flows metered from the outside to the inside / licks (claim 5).
  • the micro bumps / channels sit in one or both end faces of the vessel of the hollow cathode.
  • microchannel-like leak structures can also be introduced in the area of contact of the 0-rings with the respective sealing surface (claim 7). Since the clear flow cross section is decisive for the metering of the gas supply (claim 8), a squeezed section of a capillary in the leak gas supply is also conceivable.
  • the introduction of such an obstacle into the housing wall of the hollow cathode would be, for example, a metallic tube squeezed at its end or a very fine glass capillary.
  • the required gas supply for example air
  • the required gas supply may only be very small, a pV flow of about 10 "7. If the gas supply is in the range of s
  • Hollow cathode 1 is located, there is a pressure difference along the entire channel structure 9 at, for example, 5 mm diameter. reference of 10 -4 Pascal.
  • the magnetic field in the region of the dielectric tube 7 of the trigger plasma has its physical meaning explained above.
  • a magnetic field can be applied with a permanent magnet 12, which is a ring magnet (claim 10). It can also be a permanent magnet with pole pieces that are at least least at a distance from the diameter of the dielectric tube 7 (claim 11).
  • a DC magnetic field can also be generated with an electromagnet excited with DC (claim 12).
  • DC electromagnet excited with DC (claim 12).
  • the electromagnet can consist of a cylindrical (claim 13) winding or a flat spiral (claim 13).
  • the electromagnet would be used from a winding around a gap-forming iron core (claim 14).
  • a criterion for the stability of the self-focused electron beams from channel spark tubes is the range of the beam after leaving the channel spark tube. The higher the range or the ability to ablate distant targets 4, the more stable the quality of the beam can be assessed. It can be seen that the beam stabilized by gas supply from previously approx. 5-10 mm can now travel up to 90 mm through the free space to the target.
  • the channel in the hollow cathode 1 must begin with a conically widening shape at its entrance 8.
  • the electron beam is extracted from the plasma entering the hollow cathode 1 from the trigger plasma source via the passage of the electric field between the anode 17 and the hollow cathode 1.
  • the following geometric adaptation must exist for the usable electron beam formation:
  • the conical channel of the sleeve (21) at the connection point to the dielectric tube (7) should have an opening of a few square millimeters and open towards the entrance (10) of the channel spark body (11) on its inside width, the length of the sleeve at least 4 but at most 10 times the diameter of the channel spark tube (9).
  • a further increase in factor causes an undesired decoupling between the trigger plasma and the channel spark discharge.
  • the invention relates to modifications in the region of the hollow cathode with the consequence that the electron beams generated there rarely or no longer touch the inner wall of the channel and layer material ablatively there.
  • this has the advantage that the power of the electron beam leaves the channel radio system undiminished and can then interact with a target.
  • the service life of the channel spark system is significantly increased.
  • FIG. 1 the structure of the channel spark source
  • FIG. 2 the entry area into the hollow cathode
  • FIG. 3 a section of the hollow cathode with gas supply through the membrane.
  • the structure of the channel spark source in FIG. 1 is shown to scale in the section through the longitudinal axis.
  • the vessel 7 for the trigger plasma is test tube-shaped and made of quartz glass. It is flanged gas-tight to the hollow cathode 1 via a support and rubber ring. From this coupling point, the conically widening sleeve 21 projects concentrically into the hollow cathode 1 into the hollow cathode. Between the hollow cathode 1 and the sleeve 21 there is an annular gap. The Hollow cathode 1 and the sleeve 21 are made of metal. The sleeve 21 ends in the interior of the hollow cathode, so there is still an interior part with the clear width of the hollow cathode 1.
  • the channel spark body 11 forms part of the channel spark tube 9 and is also flanged on like the vessel 7 for the trigger plasma.
  • the channel spark body is made of dielectric material.
  • the ring-shaped anode On the other end of the channel spark body 11 sits the ring-shaped anode, in which the end part 5 of the channel spark tube 9 is inserted and abuts the channel spark body 11.
  • the electrode 18 projects into the interior of the same through the bottom of the vessel 7 for the trigger plasma source. This electrode 18 is connected on the one hand to the hollow cathode 1 via the charging resistor 20 and on the other hand via the spark gap 19 to the reference potential, here the earth.
  • the vessel 7 for the trigger plasma is preferably simply filled with air.
  • the filling pressure is 2 Pa and is kept constant during operation.
  • the annular permanent magnet is pushed over the vessel 7 and fixed shortly before its exit 8. It is axially displaceable for quality adjustment of the electron beam 2.
  • the pulsed electron beam 2 generated in the hollow cathode strikes the target 4, on which it knocks out / evaporates the exposed target material, which then partly deposits on the substrate 22.
  • the metered gas supply inside the hollow cathode is of crucial importance for the long-term beam quality of the electron beam.
  • the small gas supply is established with the small flange at the beginning of the hollow cathode 1 between the hollow cathode 1 and the vessel 7.
  • the sealing O-ring 14 on the side facing the hollow cathode is sanded with abrasive paper with a grain size of 9 ⁇ m and is thus made to leak specifically, as a result of which a small gas inflow via the annular gap 13 is set into the hollow cathode.
  • Fig. 3 shows another possibility of realizing the low gas supply in the cathode area.
  • the metered gas supply is achieved by the permeation of air / the desired gas through the plastic film 16 via the pipe connection 15 into the hollow cathode 11.
  • the amount of air / gas passing through the film depends on the one hand on the differential pressure there, but also on the type of film, the area of the membrane 16, the film thickness and the operating or ambient temperature.
  • polyester was used as the film material. name list

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Description

Kanalfunkenquelle zur Erzeugung eines stabil gebündelten
Elektronenstrahls
Die Erfindung betrifft eine Kanalfunkenguelle zur Erzeugung eines gebündelten Elektronenstrahls. Sie ist koaxial aufgebaut und besteht aus einer dielektrischen Röhre, in der ein Triggerplasma erzeugt wird. Daran schließt sich stirnseitig eine Hohlkathode an, an der ein dielektrischer Kanalfunkenkörper ansetzt. Am Ende dieses Kanalfunkenkörpers sitzt eine Anode, die einen zentralen Durchgang hat, so dass ein weiteres dielektrisches Rohrstück das anodische Ende der gesamten Kanalfunkenröhre bildet.
Ein Kondensator als elektrischer Energiespeicher ist an die Anode und die Hohlkathode angeschlossen. Gegenüber der Hohlkathode liegend, ragt eine im Boden der dielektrischen Röhre eingeschmolzene Elektrode in den Triggerplasmaraum. Sie ist über einer Funkenstrecke zum Erdpotential angeschlossen. Ein Ladewiderstand überbrückt die Elektrode in der dielektrischen Röhre und die Hohlkathode. Das entspricht vom Prinzip her einem Aufbau, wie er in der DP 42 08 764 beschrieben ist.
Die Lebensdauer der in der DP 198 49 894 beschriebenen Kanal- funkenendröhre beträgt nur etwa 1 Million Schuss. Dann hat sich der Strahl einen Weg durch den Mantel der Röhre gebohrt. Weiter ist von Nachteil die Wärmeentwicklung. Ab etwa 50 Hz Pulsfreguenz beobachtet man Rotglut im Bereich der Kanalfunkenröhre. Bei 100 Hz Pulsfrequenz erhitzt sich die Röhre, wegen der Verlustenergien, auf Weißglut.
Um industriellen Standards zu genügen, werden Lebensdauern von 109 Pulsen gefordert, wie sie z. B. bei Excimerlasern Standard sind. In der aktuellen Situation ist die elektrische Leistung des Kanalfunkensystems bei 50 Hz Pulsfrequenz auf ca. 150 W und die Strahlleistung auf ca. 60 W beschränkt. Mit Blick auf andere Laser bzw. Teilchenbeschleuniger (Elektronenkanone) , deren Leistungen im 1-kW-Bereich angesiedelt sind, ist die momentane Leistungsfähigkeit des Kanalfunkensystems als Quelle für Prozessenergie zu gering.
Die Ursache für die chaotische Bewegung des Strahls im Kanalfunkensystem, insbesondere im Bereich der anodenseitigen Kanalfunkenröhre und nach Verlassen derselben, beruht auf einer Instabilität, die Ähnlichkeit mit der sog. Hose-Instabilität bei z-Pinchen hat. Es ist den Betreibern von Kanalfunkenanlagen bekannt, dass sich diese Instabilität erst nach einer längeren Betriebsdauer einstellt (ca. 10.000 Schuss) , offensichtlich nachdem sich das System erwärmt und völlig entgast hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bestehende Kanalfun- kenstrecken/-quellen derart zu verbessern, dass sehr hohe Schusszahlen mit jeweils konstanter Strahlqualität erreicht werden und eine solche verbesserte Kanalfunkenquelle Bestandteil in industriell genutzten Anlagen sein kann.
Die Aufgabe wird durch eine im Oberbergriff des Anspruchs 1 beschriebene Kanalfunkenquelle, die die in den kennzeichnenden Merkmalen aufgeführten zusätzlichen Neuerungen hat, gelöst.
Der Ansatz für die Erfindung liegt in der Gasbelegung an der Innenwand 3 der Kanalfunkenröhre 5, der Hohlkathode und des verbundenen Triggersystems 7, es wirkt wie ein Gasreservoir bzw. inneres Gasleck, das sich mit der Zeit verbraucht. Während dieser Zeit treten keine Instabilitäten auf. Allerdings ist der Energiegehalt des Strahls bzw. die Leistungsdichte in dieser Phase noch nicht ausreichend, um effektiv zu ablatie- ren. Die volle Strahlleistungsdichte wird erst kurz vor Auftreten der Instabilität beobachtet. Daraus rührt die Überlegung, eine Gaszufuhr im Bereich der Hohlkathode 1 des Kanalfunkensystems zu installieren und dort einen Gasdruck einzustellen, bei dem die Instabilität noch nicht auftritt, aber der Strahl bereits einen für den Be- schichtungsprozess brauchbaren Energieinhalt hat.
Hierzu ragt in die Hohlkathode 1 von der Triggerplasmaseite her die Hülse 21, die Bestandteil der Hohlkathode 1 ist, mit konisch sich zur Anode 17 hin öffnenden lichten Weite unter Bildung eines Ringspalts 13, sie endet vor der anodenseitigen Stirn der Hohlkathode 1. Es bleibt so ein Restvolumen mit der lichten Weite der Hohlkathode 1, in das der Ringspalt 13 mündet .
Durch die Gefäßwand der Hohlkathode 1 hindurch oder an derselben gibt es die GasZuführung ins Innere, durch die hindurch oder über die dosiert Gas in den Hohlraum der Hohlkathode 1 zur Einstellung eines vorgegebenen Druckgefälles zwischen Hohlkathodenausgang und dem Ausgang des dielektrischen Rohrstücks 5 eingeströmt werden kann. Diese künstlichen Lecks .sind so schwach, dass der übliche Pumpaufwand zum differentiellen Pumpen in der Kanalfunkenröhre keinen zusätzlichen technischen Auf and erfordert .
Zusätzlich durchdringt das Feld eines Permanentmagneten 12 oder eines Elektromagneten 12 die dielektrische Röhre 7 der Triggerquelle abschnittsweise völlig. Die Einrichtung 12 zur Erzeugung des Magnetfelds ist entlang der dielektrischen Röhre 7 verschiebbar, zudem kann die Magnetfeldachse geschwenkt werden. Dadurch verstärken sich die Ladungsträger durch Elektronendrift im Triggerplasma und begünstigen ein Mitzünden der Kanalfunkenentladung nach Zündung des Triggerplasmas. In den Unteransprüchen 2 bis 13 sind weitere Maßnahmen spezifiziert, die den zuverlässigen Langzeitbetrieb der Kanalfunkenquelle nachhaltig unterstützen:
So ist in Anspruch 2 das Verhältnis der Länge vom Eingang in die Hohlkathode 1.bis zum Ausgang aus derselben zur lichten Weite der Hülse 21 am triggerquellenseitigen Eingang mindestens 4 aber höchstens 10. Die lichte Weite der Hülse 21 auf der Strahlaustrittsseite ist mindestens gleich der lichten Weite der Kanalfunkenröhre 11.
Zum dosierten Gaseinlass sitzt ein speziell ausgestaltetes Ventil 16 in der Gaszuführung. Es besteht aus einer Membran (Anspruch 3) , die den Innenraum der Hohlkathode 1 von einem Gasraum höheren Drucks trennt, durch die Gas entsprechend der Membranstruktur, des Druckgefälles und der eingestellten umgebenden Temperatur in entsprechend geringer Menge dosiert hindurchtritt. Die Membran kann beispielsweise eine Kunststofffo- lie aus thermostabilen Materialien, wie Polyester, Polyvinylchlorid, Silikonkautschuk, Teflon, sein (Anspruch 4) .
Eine andersartige Möglichkeit für die dosierte Gaszufuhr besteht darin, dass die Dichtungseinrichtung an einer der beiden oder an beiden Stirnseiten der Hohlkathode 1 Leckstrukturen in Form von Mikrounebenheiten/-kanälen in das Innere der Hohlkathode 1 aufweist, durch die hindurch dosiert Gas von außen nach innen strömt/leckt (Anspruch 5) . Die Mikrounebenheiten/- kanäle sitzen nach Anspruch 6 in einer oder beiden Stirnflächen des Gefäßes der Hohlkathode.
Da sie in einer oder beiden Dichtungseinrichtungen sitzen können solche mikrokanalartigen Leckstrukturen auch im Berührbereich der 0-Ringe mit der jeweils anliegenden Dichtfläche eingebracht sein (Anspruch 7) . Da der lichte Strömungsquerschnitt für die Dosierung der Gaszufuhr maßgebend ist (Anspruch 8), ist auch ein gequetschter Abschnitt einer Kapillare in der Leckgaszufuhr denkbar. Das Einbringen eines solchen Hindernisses in die Gehäusewand der Hohlkathode wäre beispielsweise ein an seinem Ende gequetschtes metallisches Rohr oder eine sehr feine Glaskapillare.
Zur Änderung der Dosierung des Leckgasstromes ist, wenn nicht eine Membran, ein feines Stellventil möglich, falls die Leckrate über der einer Membrane liegen kann (Anspruch 9) .
Versuche haben ergeben, dass die erforderliche Gaszufuhr, beispielsweise Luft, nur sehr gering sein darf, ein pV-Durchfluss von etwa 10"7 . Wenn sich die Gaszufuhr im Bereich der s
Hohlkathode 1 befindet, ergibt sich längs der gesamten Kanalstruktur 9 bei -beispielsweise 5 mm Durchmesser, eine Druckdif-. ferenz von 10-4 Pascal.
Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der im gesamten System herrschende niedrige, residuale Gasdruck im Bereich der Hohlkathode 1 in Richtung zur Triggerquelle 7 konstant um einen Faktor 10~4 angehoben wird, während in Richtung anodischer Ausgang in der Kanalfunkenröhre 5 ein Druckgefälle herrscht.
Diese außerordentlich geringe Gaszufuhr muss innerhalb der Grenzen von 50 % eingehalten werden, sonst kommt es zu Energieverlusten durch Instabilitäten oder die Leistungsdichte des Strahls nimmt ab.
Das Magnetfeld im Bereich der dielektrischen Röhre 7 des Triggerplasmas hat seine oben erläuterte physikalische Bedeutung. Ein solches Magnetfeld kann mit einem Permanentmagneten 12, der ein Ringmagnet ist, angelegt werden (Anspruch 10) . Es kann auch ein Permanentmagnet mit Polschuhen sein, die sich mindes- tens im Abstand des Durchmessers der dielektrischen Röhre 7 gegenüberstehen (Anspruch 11) .
Ein magnetisches Gleichfeld lässt sich aber auch mit einem mit Gleichstrom erregten Elektromagneten erzeugen (Anspruch 12) . In einfachen robusten Anlagen ist er sicher normalleitend, könnte aber für spezielle Anwendungen durchaus auch supraleitend sein. Letzteres würde einen Kryostaten erfordern, und ein solcher technischer Aufwand müsste allerdings gerechtfertigt sein. Der Elektromagnet kann hierbei aus einer zylindrischen (Anspruch 13) Wicklung oder einer eben spiraligen (Anspruch 13) bestehen.
Für das mehr senkrecht zur Kanalachse (9) kreuzende Magnetfeld käme der Elektromagnet aus einer Wicklung um einen spaltbildenden Eisenkern zum Einsatz (Anspruch 14).
Ein Kriterium für die Stabilität der selbstfokussierten Elektronenstrahlen aus Kanalfunkenröhren ist die Reichweite des Strahls nach Verlassen der Kanalfunkenröhre. Je höher die Reichweite bzw. die Fähigkeit entfernte Targets 4 zu ablatie- ren, desto stabiler ist die Qualität des Strahls einzuschätzen. Es zeigt sich, dass der durch Gaszufuhr stabilisierte Strahl von vorher ca. 5-10 mm jetzt bis zu 90 mm durch den freien Raum zum Target zurücklegen kann.
Zur Erzielung solch optimaler Strahlausbreitungsbedingungen muss allerdings der Kanal in der Hohlkathode 1 an ihrem Eingang 8 mit konisch sich weitender Form beginnen. Aus dem in die Hohlkathode 1 von der Triggerplasmaquelle her eindringenden Plasma wird der Elektronenstrahl über den Durchgriff des elektrischen Feldes zwischen Anode 17 und Hohlkathode 1 extrahiert. Für die brauchbare Elektronenstrahlbildung muss folgende geometrische Anpassung bestehen: Der konische Kanal der Hülse (21) an der Verbindungsstelle zur dielektrischen Röhre (7) soll eine Öffnung von einigen Quadratmillimeter Fläche aufweisen und sich in Richtung zum Eingang (10) des Kanalfunkenkörpers (11) auf dessen lichte Weite öffnen, wobei die Länge der Hülse mindestens 4 aber höchstens 10 mal dem Durchmesser der Kanalfunkenröhre (9) entspricht. Eine weitere Faktorerhöhung bewirkt eine unerwünschte Entkopplung zwischen dem Triggerplasma und der Kanalfunkenentladung.
Die Erfindung betrifft Modifikationen im Bereich der Hohlkathode mit der Folge, dass die dort erzeugten Elektronenstrahlen selten bzw. nicht mehr die Innenwand des Kanals berühren und dort ablativ Material umschichten. Das hat zum einen den Vorteil, dass der Elektronenstrahl in seiner Leistung unvermindert das Kanalfunkensystem verlässt und anschließend mit einem Target wechselwirken kann. Zum anderen wird die Lebensdauer des Kanalfunkensystems damit entscheidend erhöht.
Die Kanalfunkenquelle zur Erzeugung eines gebündelten Elektronenstrahl wird anhand der Zeichnung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 den Aufbau der Kanalfunkenquelle, Figur 2 das Eintrittsgebiet in die Hohlkathode, Figur 3 einen Ausschnitt der Hohlkathode mit Gaszufuhr durch die Membrane.
Der Aufbau der Kanalfunkenquelle in Figur 1 ist maßstabsgerecht im Schnitt durch die Längsachse dargestellt.
Das Gefäß 7 für das Triggerplasma ist reagenzglasförmig und aus Quarzglas. Es ist gasdicht an die Hohlkathode 1 über Stütz- und Gummiring angeflanscht. In die Hohlkathode ragt von dieser Kupplungsstelle aus die konisch sich weitende Hülse 21 konzentrisch ins Innere der Hohlkathode 1. Zwischen Hohlkathode 1 und der Hülse 21 besteht ein ringförmiger Spalt. Die Hohlkathode 1 und die Hülse 21 sind aus Metall. Die Hülse 21 endet im Innern der Hohlkathode, es besteht also noch ein In- nenraumteil mit der lichten Weite der Hohlkathode 1.
Am dortigen Ausgang sitzt der Kanalfunkenkörper 11, er bildet einen Teil der Kanalfunkenröhre 9 und ist ebenfalls wie das Gefäß 7 für das Triggerplasma angeflanscht. Der Kanalfunkenkörper besteht aus dielektrischem Material. An der anderen Stirnseite des Kanalfunkenkörpers 11 sitzt die ringförmige Anode, in der das Endteil 5 der Kanalfunkenröhre 9 steckt und an den Kanalfunkenkörper 11 stößt.
Der Kondensator 6, der elektrische Energiespeicher, überbrückt die elektrisch über den Kanalfunkenkörper 11 voneinander getrennte Hohlkathode und Anode. Durch den Boden des Gefäßes 7 für die Triggerplasmaquelle ragt die Elektrode 18 ins Innere desselben. Diese Elektrode 18 ist einerseits über den Ladewiderstand 20 mit der Hohlkathode 1 verbunden und andrerseits über die Funkenstrecke 19 mit dem Bezugspotential, hier der Erde.
Das Gefäß 7 für das Triggerplasma ist bevorzugt einfach mit Luft gefüllt. Der Fülldruck beträgt 2 Pa und wird während des Betriebs konstant gehalten. Zur lokalen Wegverlängerung der Elektronen im Plasma, der Elektronendrift, und damit zur Vermehrung der Ladungsträger ist der ringförmige Permanentmagnet über das Gefäß 7 geschoben und kurz vor dessen Ausgang 8 fixiert. Er ist zur Qualitätseinstellung des Elektronenstrahls 2 axial verschiebbar.
Der in der Hohlkathode erzeugte gepulste Elektronenstrahl 2 trifft auf das Target 4, auf dem er das exponierte Targetmaterial herausschlägt/abdampft, das sich dann teilweise auf dem Substrat 22 niederschlägt. Zur Langzeitstrahlqualität des Elektronenstrahls ist die dosierte Gaszufuhr ins Innere der Hohlkathode von entscheidender Bedeutung. In den beiden Figuren 2 und 3 sind zwei Wege aufgezeigt, wie diese Feindosierung vorgenommen wird: Die geringe Gaszufuhr wird mit dem Kleinflansch am Anfang der Hohlkathode 1 zwischen der Hohlkathode 1 und dem Gefäß 7 eingerichtet. Der Dichtungs-O-Ring 14 auf der zur Hohlkathode gerichteten Seite ist mit Schleifpapier der Körnung 9 μm angeschliffen und damit gezielt undicht gemacht, wodurch ein geringer Gaszufluss über den Ringspalt 13 in die Hohlkathode eingestellt wird.
Das gleiche Ergebnis erzielt man, wenn man den O-Ring zwischen Hohlkathode 1 und Kanalfunkenkörper 11 auf der zur Hohlkathode zugewandten Seite mit Schleifpapier der Körnung 9 μm anschleift und damit gezielt undicht macht, sodass über den dort befindlichen Spalt das Gas ins Innere der Hohlkathode 1 eindringt.
Eine weitere Möglichkeit, die geringe Gaszufuhr im Kathodenbereich zu realisieren, zeigt Fig.3. Die dosierte Gaszufuhr wird durch die Permeation von Luft/dem gewünschtem Gas durch die Plastikfolie 16 über die Rohrverbindung 15 in die Hohlkathode 11 erreicht. Die Menge der/des durch die Folie tretenden Luft/Gases hängt zum einen vom dortigen Differenzdruck ab, aber auch von der Folienart, der Fläche der Membrane 16, der Foliendicke und der Betriebs- bzw. Umgebungstemperatur. Hier wurde als Folienmaterial beispielsweise Polyester verwendet. Bezeichnungsliste
1 Kanalfunkenkörper, Hohlkathode
2 Elektronenstrahl
3 Innenwand der Kanalfunkenröhre
4 Target
5 Endteil
6 Kondensator, Energiespeicher
7 Gefäß
8 Eingang der Hohlkathode triggerseitig
9 Kanalfunkenröhre
10 Eingang der Kanalfunkenröhre hohlkathodenseitig
11 Kanalfunkenkörper
12 Permanentmagnet
13 Ringspalt
14 O-Ring
15 Gaszufuhr
16 Membrane
17 Anode
18 Elektrode
19 Funkenstrecke
20 Ladewiderstand
21 Hülse
22 Substrat

Claims

Patentansprüche :
1. Kanalfunkenquelle zur Erzeugung eines stabil gebündelten Elektronenstrahls, bestehend aus einer koaxialen Anordnung aus: einer dielektrischen Röhre (7) , in der ein Triggerplasma erzeugt wird, einer daran stirnseitig anschließenden Hohlkathode (1) , einem daran anschließenden dielektrischen Kanalfunkenkörper (11), der an einer Anode (17) mit zentralem Durchgang endet, einem an der Anode (17) ansetzenden dielektrischen Rohrstück (5) , das mit dem Kanalfunkenkörper (11) fluchtet, wobei ein Kondensator (6) als elektrischer Energiespeicher an die Anode (17) und die Hohlkathode (1) angeschlossen ist, eine Elektrode (18) von der der Hohlkathode (1) abgewandten Stirnseite in die dielektrische Röhre (7) in das Triggerplasmavolumen ragt, diese Elektrode (18) über eine Funkenstrecke (19) an ein Bezugspotential angeschlossen ist, und ein elektrischer Widerstand (20) die Elektrode (18) und die Hohlkathode (1) überbrückt, dadurch gekennzeichnet: dass in die Hohlkathode (1) von der Triggerplasmaseite her eine Hülse (21) mit einer konisch sich zur Anode (17) hin öffnenden lichten Weite ragt, die Bestandteil der Hohlkathode (1) ist, wobei die Hülse (21) mit der Wand der Hohlkathode (1) einen Ringspalt (13) bildet, der an seiner Stirn zur dielektrischen Röhre (7) hin geschlossen und an seiner Stirn zum Kanalfunkenkörper (11) hin offen ist, und vor der der Anode (17) zugewandten Stirn der Hohlkathode (1) endet, so dass ein Restvolumen mit der lichten Weite der Hohlkathode (1) besteht, in das der Ringspalt (13) mün- det, dass durch die Gefäßwand der Hohlkathode (1) hindurch oder an derselben eine Gaszuführung (15) ins Innere besteht, durch die hindurch dosiert Gas in den Hohlraum der Hohlkathode (1) zur Einstellung eines vorgegebenen Druckgefälles zwischen Hohlkathodenausgang und dem Ausgang des dielektrischen Rohrstücks (5) einströmen kann, oder dass in der triggerplasmaseitigen Vakuumdichteinrichtung an der Hohlkathode (1) eine Leckstruktur zum Ringspalt (13) hin vorhanden ist, über die durch Gaseinströmen ebenso ein solches Druckgefälle eingestellt werden kann, dass das Feld eines Permanentmagneten (12) oder eines Elektromagneten (12) die dielektrische Röhre (7) der Triggerquelle abschnittsweise völlig durchdringt und der Permanentmagnet (12) oder der Elektromagnet (12) zu der Längsachse der dielektrischen Röhre verschiebbar und die Magnetfeldachse zu dieser Längsachse schwenkbar ist.
2. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konische Kanal der Hülse (21) an der Verbindungsstelle zur dielektrischen Röhre (7) eine Öffnung von einigen Quadratmillimeter Fläche aufweist und sich in Richtung zum Eingang (10) des Kanalfunkenkörpers (11) auf dessen lichte Weite öffnet, wobei die Länge der Hülse mindestens 4 aber höchstens 10 mal so groß wie der Durchmesser der Kanalfunkenröhre (9) ist.
3. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum dosierten Gaseinlass ein Ventil (16) in der Gaszuführung sitzt und dieses aus einer Membran besteht, die den Innenraum der Hohlkathode (1) von einem Gasraum höheren Drucks trennt, durch die das Gas entsprechend der Membranstruktur, dem Druckgefälle und der Umgebungs-Temperatur dosiert hindurchtritt.
4. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Kunststofffolie aus thermostabilen Materialien, wie Polyester, Polyvinylchlorid, Silikonkautschuk, Teflon, ist.
5. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung an mindestens einer der beiden Stirnseiten des Gefäß der Hohlkathode (1) Leckstrukturen in Form von Mikrounebenheiten/-kanälen in das Innere der Hohlkathode (1) hat, durch die hindurch entsprechend dosiert Gas von außen nach innen strömt.
6. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrounebenheiten/-kanäle in einer oder beiden Stirnflächen des Gefäßes der Hohlkathode sitzen.
7. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrounebenheiten/-kanäle in den oder die 0- Ringe an der Hohlkathode (1) eingebracht sind.
8. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum dosierten Gaseinlass in der Gaszuführung ein Abschnitt mit einem verringerten lichten Querschnitt derart sitzt, so dass eine vorgegebene Leckrate ins Innere der Hohlkathode (1) zustande kommt.
9. Kanalfunkenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum dosierten Gaseinlass in der Gaszuführung ein Ventil sitzt, mit dem eine Leckrate ins Innere der Hohlkathode (1) eingestellt werden kann.
10. Kanalfunkenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (12) ein Ringmagnet ist.
11. Kanalfunkenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (12) sich gegenüberstehende Polschuhe hat, die sich mindestens im Abstand des Durchmessers der dielektrischen Röhre (7) gegenüberstehen.
12. Kanalfunkenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet aus einer zylindrischen Wicklung besteht.
13. Kanalfunkenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet aus einer eben spiraligen Wicklung besteht.
14. Kanalfunkenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet aus einer Wicklung um einen spaltbildenden Eisenkern besteht.
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