EP3061115A1

EP3061115A1 - Vorrichtung zum erzeugen beschleunigter elektronen

Info

Publication number: EP3061115A1
Application number: EP14787123.0A
Authority: EP
Inventors: Gösta MATTAUSCH; Peter Feinaeugle; Volker Kirchhoff; Frank-Holm Roegner; Sebastian Schmidt; Felix Ender; Jörg KUBUSCH; Steffen Kaufmann; Stefan Weiss
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-08-31
Also published as: WO2015058971A1; DE102013111650B3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, umfassend ein Gehäuse (101), welches einen evakuierbaren Raum (102a; 102b) begrenzt und ein Elektronenaustrittsfenster (104) aufweist; einen Einlass für das Zuführen eines Arbeitsgases in den evakuierbaren Raum (102); mindestens eine erste Kathode (105a; 105b) und mindestens eine erste Anode (101), zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma (106) im evakuierbaren Raum (102a) erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma (106) auf die Oberfläche (110) einer zweiten Kathode (107) beschleunigbar sind und von der zweiten Kathode (107) emittierte Elektronen mittels einer zwischen der zweiten Kathode (107) und einer zweiten Anode (108) angelegten zweiten elektrischen Spannung in Richtung Elektronenaustrittsfenster (104) beschleunigbar sind, wobei das Gehäuse (101), die zweite Kathode (107) und das Elektronenaustrittsfenster (104) ringförmig ausgebildet sind und wobei die Oberflächensenkrechten des Elektronenaustrittsfensters (104) und des Oberflächenbereichs (110) der zweiten Kathode (107), aus dem Elektronen emittiert werden, zum Ringinneren des ringförmigen Gehäuses (101) ausgerichtet sind.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen. Insbesondere kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Substrat in einem Substratquerschnitt in einem Behandlungsdurchgang vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft beim Beaufschlagen von strangförmigen Substraten, Formteilen und Fluiden mit beschleunigten Elektronen eingesetzt werden.

Stand der Technik

ElektronenstrahitechnoSogie wird seit etlichen Jahrzehnten im Industriemaßstab zur chemischen Materialmodifikation sowie zur Desinfektion bzw. Sterilisierung von Oberflächen eingesetzt. Die Behandlung von Produkten kann wirtschaftlich vorteilhaft bei atmosphärischem Druck erfolgen, wozu die Elektronen zunächst im Vakuum freigesetzt, anschließend beschleunigt und schließlich durch ein Strahlaustrittsfenster, zumeist eine dünne Metallfolie, in die Behandlungszone ausgekoppelt werden müssen. Zum Durch- dringen großtechnisch einsetzbarer, genügend robuster Elektronenaustrittsfenster sowie auch zum Sichern einer ausreichenden Behandlungstiefe im Produkt sind typischerweise Beschleunigungsspannungen >100 kV erforderlich.

Verschiedene Verfahren und Strahlquellen sind für eine Randschichtbehandlung flacher Produkte, wie Platten und Bänder, wohletabliert, während das allseitige Behandeln von

Formkörpern, Schüttgütern und Fluiden nach wie vor Probleme bereitet. So ist ein allseitiges gleichmäßiges Beaufschlagen gekrümmter Oberflächen mit Elektronen geometrisch problematisch aufgrund von Abschattungseffekten, variabler Absorption von Elektronenenergie auf der Gasstrecke sowie Dosis-Inhomogenitäten wegen unterschiedlicher

Projektionsverhältnisse.

Mit den bereits existierenden Quellensystemen, wie beispielsweise Axialstrahlern mit einer schnellen Ablenkeinheit oder Bandstrahlern mit einer langgestreckten Kathode, von denen beide Ausführungsformen mit einer geheizten thermionischen Kathode betrieben werden, ist eine allseitige Produktbehandlung nur umständlich unter Nutzung zusätzlicher Ein- richtungen oder mit einem hohen apparativen und/oder technologischen Aufwand möglich.

Elektronenstrahlquellen auf Basis thermionischer Emitter sind außerdem mechanisch kompliziert, schwierig zu skalieren und erfordern aufwändige Hochspannungsversorgungen und Hochvakuumsysteme. Bei einer Beschädigung des StrahSaustrittsfensters mit daraus resultierendem Zusammenbruch des Vakuums kommt es zur irreversiblen Schädigung des Kathodensystems und somit zu einem hohen Reparaturaufwand.

In DE 1 99 42 142 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der Schüttgut im mehrfachen freien Fall an einer Elektronenstrahleinrichtung vorbeigeführt und mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Aufgrund des Mehrfachdurchlaufs, verbunden mit einer zwischenzeitlichen Durchmischung des Schüttguts, ist die Wahrscheinlichkeit bei dieser Ausführungsform sehr hoch, dass die Partikel des Schüttgutes allseitig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses. Nachteilig ist hierbei außerdem, dass die Vorrichtung für die Behandlung größerer Formteile ungeeignet ist.

Eine andere Lösung ist in DE 10 2006 012 666 A1 angegeben, welche drei Axialstrahler mit zugehöriger Ablenksteuerung und drei ebenfalls zugehörige Elektronenaustrittsfenster um- fasst. Die drei Elektronenaustrittsfenster sind derart angeordnet, dass sie einen dreieckigen Freiraum vollumfänglich umschließen. Wird ein Substrat durch diesen Freiraum geführt, kann dieses in einem Behandlungsdurchgang in seinem Querschnitt vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Hat das Substrat jedoch nicht den gleichen dreieckigen Querschnitt wie der von den drei Elektronenaustrittsfenstern umschlossene Freiraum, wird die Dosisverteilung der Beaufschlagung mit beschleunigten Elektronen auf der Oberfläche des Substrates inhomogen ausfallen. Der apparative Aufwand bei dieser

Ausführungsform ist außerdem sehr hoch, wodurch diese Lösung auch sehr preisintensiv ist.

Aus WO 2007/1 07331 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der lediglich zwei Flächen- strahlerzeuger benötigt werden, zwischen denen ein Formteil zum Zwecke des Sterilisierens seiner Oberfläche hindurch bewegt und währenddessen mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann. Diese Vorrichtung weist außerdem mehrere Reflektoren aus Gold auf, mit denen von den Flächenstrahlerzeugern abgegebene Randstrahlen auf Oberflächenbereiche des Formteils reflektiert werden, die nicht im unmittelbaren Einwirkbereich der Flächenstrahlerzeuger liegen. Da die aus dieser Schrift bekannten Reflektoren aus reinem Gold bestehen, sind derartige Vorrichtungen ebenfalls sehr preisintensiv und be- einträchtigen somit deren Wirtschaftlichkeit. Da reflektierte Elektronen eine geringere

Energie aufweisen als nicht reflektierte Elektronen, ist auch mit dieser Vorrichtung nur ein inhomogener Energieeintrag in ein Substrat möglich. Bei den bekannten Einrichtungen zur Oberflächenbehandlung mit Elektronen muss im

Allgemeinen mit zeitlich konstanter Beschleunigungsspannung gearbeitet werden, um eine genügend stabile Strahlerzeugung und präzise Strahlführung innerhalb der Strahlquelle sicherstellen zu können. Das führt zu einem charakteristischen Dosistiefenprofil im Produkt mit einem Maximum der Energieabsorption bei ca. 1/3 der energieabhängigen Elektronen- reichweite. Um eine bessere Homogenität oder eine von den Gebrauchseigenschaften der Produkte geforderte spezifische Dosistiefenverteilung zu erreichen, wäre es oft zweckmäßiger, die Behandlung mit schnell variierbarer Elektronenenergie durchzuführen, was mit den bisher bekannten Vorrichtungen nicht möglich ist. Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollen mit der Vorrichtung Substrate und ins- besondere auch strangförmige Substrate vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen mit möglichst gleichmäßiger Elektronendichte beaufschlagt werden können.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Ein wesentliches Merkmal einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass diese ringförmig ausgebildet ist und die Elektronen in Richtung des Ringinneren beschleunigbar sind. Auf diese Weise kann ein Substrat, welches durch das Ringinnere der Vorrichtung geführt wird, in einem Bestrahlungsdurchgang vollumfänglich bezüglich eines Substratquerschnitts mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass der Begriff „ringförmig" im Erfindungssinn bei allen nachfolgend beschriebenen ringförmigen Vorrichtungen und Bauelementen nicht nur auf einen Ring in Kreisform begrenzt ist, sondern dass sich der Begriff „ringförmig" im

Erfindungssinn lediglich auf einen schleifenförmig in sich geschlossenen Gegenstand bezieht, wobei der schleifenförmig in sich geschlossenen Gegenstand einen Freiraum in seinem Querschnitt vollständig umschließt und wobei ein Substrat durch diesen Freiraum im Inneren des Ringes hindurchgeführt werden kann. Dabei ist der von einem Ring vollständig umschlossene Querschnitt des Freiraumes zwar bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kreisförmig ausgebildet, kann aber im weitesten Erfindungssinn auch jede andere geometrische Form aufweisen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:

Fig. 1 eine schematische und perspektivische Querschnittsdarstellung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Poloidalspulen;

Fig. 2 eine schematische und perspektivische Querschnittsdarstellung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung mit anodischen drahtförmigen Elektroden;

Fig. 3a, 3b schematische Darstellungen von Gitterstrukturen für ein Elektronenaustrittsfenster.

Zum besseren Verständnis der Erfindung seien an dieser Stelle noch die Begriffe„Ring- zylinder" und„Ringscheibe" in Bezug auf einen ringförmigen Gegenstand definiert. Wird der Innenradius eines kreisförmigen Ringes von seinem Außenradius subtrahiert, dann ergibt sich ein Maß. Ist dieses Maß kleiner als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringzylinder ausgebildet. Ist dieses Maß hingegen größer als die Ausdehnung des Ringes in Richtung seiner Ringachse, so ist der Ring als Ringscheibe aus- gebildet.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 als perspektivische Querschnittsdarstellung schematisch dargestellt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zunächst ein ringförmiges Gehäuse 101 , welches zumindest in einem Bereich einen evakuierbaren Raum 102 begrenzt, der in die evakuierbaren Räume 102a und 102b unterteilt ist. Dieser evakuierbare Raum 102 ist aufgrund der Gehäuseform ebenfalls ringförmig. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist das Gehäuse 101 radialsymmetrisch um eine Ringachse 103 ausgebildet. Alle nachfolgend beschriebenen, zu Vorrichtung 100 zugehörigen und als ringförmig bezeichneten Bauelemente sind ebenfalls radialsymmetrisch und weisen ein und dieselbe Ringachse 103 auf. An der Ringinnenseite des Gehäuses 101 ist das Gehäuse 101 als Elektronenaustrittsfenster 104 in Form eines Ringzylinders ausgebildet, d. h. in Austrittsrichtung der Elektronen betrachtet weist das Elektronenaustrittsfenster 104 eine Oberflächensenkrechte auf, die zum Ringinneren und bei einem kreisförmigen Ringzylinder wie beim Elektronenaustrittsfenster 104 zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Durch mindestens einen in Fig. 1 nicht dargestellten Einiass im Gehäuse 101 wird ein Arbeitsgas in den evakuierbaren Raum 102 eingelassen und mittels mindestens einer in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten Pumpeinrichtung ein Vakuum im evakuierbaren Raum 102 im Bereich von 0,5 Pa bis 1 ,5 Pa und bevorzugt im Bereich von 0,9 Pa bis 1 , 1 Pa aufrechterhalten. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner mindestens eine erste Kathode und mindestens eine erste Anode auf, zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung, die von einer ersten Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, ein Glimm- entladungsplasrna im evakuierbaren Raum 102 erzeugbar ist. Im Ausführungsbeispiel wurden zwei als Ringscheibe ausgebildete erste Kathoden 105a und 105b verwendet, die im Raum 102a gegenüberliegend in der Nähe der seitlichen Innenwandungen des Gehäuses 101 angeordnet sind. Bei der Vorrichtung 100 wurde ferner das Gehäuse 101 als erste Anode geschaltet, wobei das Gehäuse 101 gleichzeitig das elektrische Massepotenzial der Vorrichtung 100 aufweist. Alternativ kann aber auch mindestens eine separate Elektrode als erste Anode geschaltet werden, die vom Gehäuse 101 elektrisch isoliert ist. Die ring- förmigen ersten Kathoden 105a und 105b sind mit einem derart geringen Maß von den jeweils angrenzenden Wandungen des Gehäuses 101 beabstandet, dass infolge einer Dunkelfeldabschirmung keine elektrische Entladung zwischen den Kathoden 105 und den unmittelbar angrenzenden Wandungen des als erste Anode geschalteten Gehäuses 101 ausgebildet wird. Eine zwischen dem als erste Anode geschalteten Gehäuse 101 und den ersten Kathoden 105 angelegte erste elektrische Spannung führt somit dazu, dass eine Glimmentladung zwischen einer ersten Kathode 105a, 105b und einer jeweils gegenüberliegenden Wandung des Gehäuses 101 ausgebildet wird. Ein auf diese Weise erzeugtes Plasma 106 füllt somit den Raum 102a zwischen den beiden ersten Kathoden 105a und 105b aus.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst des Weiteren mindestens eine zweite Kathode und mindestens eine zweite Anode, zwischen denen mitteis einer zweiten Stromversorgungseinrichtung eine zweite elektrische Spannung geschaltet ist. Bei Vorrichtung 100 ist eine ringförmige Kathode 107 als zweite Kathode und eine ringförmige und gleich- zeitig gitterförmige Anode 108 als zweite Anode ausgebildet. Die zweite Kathode stellt bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kathode zum Emittieren von Sekundärelektronen dar, welche anschließend beschleunigt werden, und weist hierfür ein elektrisches Hochspannungspotenzial von mindestens -50 kV, bevorzugt im Bereich von -100 kV bis -300 kV, auf. Mittels eines Isolators 109 ist die zweite Kathode 107 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 101 isoliert.

Bei der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung weisen die zweite Anode 108 und die ersten Kathoden 105a, 105b das gleiche elektrische Potenzial auf, das nur wenige Prozent des Spannungspotenzials der zweiten Kathode 107 beträgt und vorzugs- weise aus dem Bereich von -0,5 kV bis -5 kV ausgewählt ist. Alternativ können die zweite Anode und die erste Kathode auch unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen, wobei jedoch die beiden Spannungspotenziale eine wesentlich geringere Spannungsdifferenz zur ersten Anode als zur zweiten Kathode aufweisen. Aus dem Plasma 106 im Raum 102a driften Ionen durch die gitterförmige zweite Anode 108 in Richtung der zweiten Kathode 107. Dort treffen die Ionen auf einen Oberflächenbereich 1 10 der zweiten Kathode 107, dessen Oberflächensenkrechte zum Ringinneren des Gehäuses und bei einem radialsymmetrischen Gehäuse, wie Gehäuse 101 , zur Ringachse 103 ausgerichtet ist. Beim Auftreffen der Ionen auf den Oberflächenbereich 1 10 haben die Ionen somit eine Potenzialdifferenz durchfallen, die weitgehend der Beschleunigungsspannung der Vorrichtung 100 entspricht. Bei ihrem Auftreffen wird die Energie der Ionen in einer sehr dünnen Randschicht der Kathode 107 im Oberflächenbereich 1 10 frei, was zur Auslösung von Sekundärelektronen führt. Bei den zuvor genannten elektrischen

Spannungen an der zweiten Kathode 107 ist das Verhältnis zwischen ausgelösten

Elektronen und auftreffenden Ionen in der Größenordnung 10 angesiedelt, was diese Art des Erzeugens beschleunigter Elektronen sehr effizient macht. Die entstandenen Sekundärelektronen werden vom anliegenden elektrischen Feld stark beschleunigt und durchfliegen die in Form eines Ringzylinders ausgebildete gitterförmige Anode 108 und das Plasma 106 im Raum 102a. Nach dem Durchqueren des Elektronenaustrittsfensters 104, das beispiels- weise als dünne Metallfolie ausgeführt sein kann, dringen die Elektronen in den vom ringförmigen Gehäuse 101 umschlossenen Freiraum vor, in dem ein höherer Druck als im Raum 102 herrschen kann und durch den ein mit Elektronen zu beaufschlagendes Substrat durch die Gehäuseringöffnung hindurchgeführt werden kann. Als Material für das Elektronenaustrittsfenster 104 können alle aus dem Stand der Technik für ein Elektronenaustritts- fenster bekannten Materialien, wie beispielsweise Titan, verwendet werden. Außerdem ist es zum Zwecke einer höheren mechanischen Stabilität des Elektronenaustrittsfensters 104 vorteilhaft, dieses mit einem Stützgitter zu versehen, wie es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der ringförmigen Gestalt aller zuvor genannten Bauteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit dieser ein in sich geschlossenes, ringförmiges Band beschleunigter Elektronen erzeugt, wobei die Bewegungsrichtung der beschleunigten Elektronen auf den vom Gehäusering eingeschlossenen Freiraum ausgerichtet ist. Der Freiraum, der vom Gehäusering umschlossen wird und durch den ein Substrat hindurchgeführt werden kann, wird nachfolgend auch als Behandlungsraum bezeichnet. Bei einer radialsymmetrischen erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie Vorrichtung 100, ist die Bewegungsrichtung der beschleunigten Elektronen vorzugsweise auf die Ringachse 103 ausgerichtet. Ein Substrat, welches durch das Ringinnere des Gehäuses einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geführt wird, kann somit vollumfänglich bezüglich eines Substratquerschnitts in einem Durchlauf mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher besonders für das Beaufschlagen mit beschleunigten Elektronen von strangförmigen Substraten, von Formteilen aber auch von Fluiden geeignet.

Der Vollständigkeit halber sein an dieser Stelle erwähnt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Kühlen der Vorrichtung aufweist, wie es auch bei Vorrichtungen zum Erzeugen beschleunigter Elektronen aus dem Stand der Technik bekannt ist. So kann diese Einrichtung zum Kühlen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise Kühlkanäle umfassen, die sich innerhalb des Isolators 109 erstrecken und durch die ein Kühlmedium strömt.

Die zweite Anode 108, welche bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt als gitterförmiger Ringzyiinder ausgebildet ist und welche die räumliche Grenze zwischen den evakuierbaren Räumen 102a und 102b darstellt, erfüllt zwei wesentliche Aufgaben. Zum einen bewirkt sie aufgrund ihrer Spannungsdifferenz gegenüber der zweiten Kathode 107 eine Beschleunigung der emittierten Sekundärelektronen. Aufgrund des Sachverhaltes, dass die ringförmige Gitterstruktur der zweiten Anode 108 parallel zur Sekundärelektronen emittierenden Oberfläche 1 10 der zweiten Kathode 107 ausgebildet ist, wird ein

elektrisches Feld derart ausgebildet, dass auch die Bahnen der beschleunigten Sekundärelektronen weitgehend parallel verlaufen. Zum anderen schirmt die zweite Anode 108 das Plasma vom Spannungspotenzial der zweiten Kathode 107 ab; verhindert dadurch das Abdriften zu vieler Ionen in Richtung zweiter Kathode 107 und trägt somit zum Aufrechterhalten des Plasmas 106 im Raum 102a bei.

Für das Aufrechterhalten des Plasmas 106 sind jedoch noch weitere Maßnahmen erforderlich. Der relativ niedrige Druck von etwa 1 Pa im Raum 102a ermöglicht nur das Generieren einer relativ geringen Anzahl von niederenergetischen Elektronen infolge der Glimmentladung zwischen den ersten Kathoden 105 und des als erste Anode geschalteten Gehäuses 101. Das Driften dieser niederenergetischen Elektronen auf direktem Wege zwischen einer ersten Kathode 05 und der ersten Anode würde nur zu einer ungenügen- den Anzahl von Stoßreaktionen mit Inertgaspartikeln und somit zum Erzeugen von Ionen führen, die zum Aufrechterhalten des Plasmas 106 nicht hinreichend wären. Es sind somit Maßnahmen notwendig, die den Weg der niederenergetischen Elektronen im Raum 102a verlängern und somit deren Stoßwahrscheinlichkeit und -häufigkeit erhöhen. Eine solche Maßnahme ist in Fig. 1 in Form von ringförmigen Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b dargestellt, die jeweils ein Magnetfeld mit poloidal verlaufenden Magnetfeldlinien erzeugen. Derartige Magnetspulen werden daher auch als Poloidalspulen bezeichnet. Die Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b sind in zwei Paaren gegenüberliegend und außerhalb des Gehäuses 01 auf Höhe der ersten Kathoden 105 derart angeordnet, dass ihr Magnetfeld den Raum 102a durchdringt. Dabei weisen die Magnetspulen 1 1 1 a und 1 1 1 b identische Ringradien auf, die größer sind als die identischen Ringradien der Magnetspulen 1 12a und 1 12b. Die poloidal verlaufenden Magnetfeldlinien im Raum 102a zwingen die niederenergetischen Elektronen auf gekrümmte Bahnen mit energieabhängigem Gyrations- radius, was die Driftstrecke und dadurch auch die Verweildauer der niederenergetischen Elektronen im Raum 102 und somit die Anzahl Ionen erzeugender Stoßereignisse erhöht.

Die Magnetfelder der Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b beeinflussen jedoch nicht nur die Bahnen der niederenergetischen Elektronen, sondern auch die Bahnen der hochenergetischen, aus der zweiten Kathode 107 emittierten und anschließend beschleunigten, sowie den Raum 102a durchfliegenden Elektronen. Ohne die Magnetfelder der Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b würden die meisten beschleunigten, hochenergetischen Elektronen in einem senkrechten Winkel bzw. in einem Winkel nahe dem senkrechten Winkel durch das Elektronenaustrittsfenster 104 hindurchtreten. Die Magnetfelder der Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b verändern jedoch diesen Durchtrittswinkel, was je nach Anwendungsfall von Vorteil oder Nachteil sein kann. Vorteilhaft ist dies beispielsweise beim Homogenisieren des Energieeintrags in Substrate mit gekrümmten Oberflächenbereichen oder zum Beaufschlagen von Oberfiächenbereichen eines Substrates, die sich bei rein radialer Ausbreitungsrichtung der beschleunigten Elektronen in abgeschattet liegenden Oberfiächenbereichen befinden würden.

Bei vielen Anwendungsfällen ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Durchtritt von beschleunigten Elektronen durch das Elektronenaustrittsfenster 104 mit einem rechten Winkel zur Oberfläche des Elektronenaustrittsfensters 104 bzw. mit einem Winkel nahe dem rechten Winkel erfolgt. Außerdem führt jede Abweichung vom Normaleinfail zu einer höheren Absorption von Elektronen in der Folie des Elektronenaustrittsfensters 104 und insbesondere auch in der die Folie üblicherweise stützenden und kühlenden Gitterstruktur des Elektronenaustrittsfensters. Bei den Anwendungsfällen, bei denen die beschleunigten Elektronen möglichst senkrecht durch das Elektronenaustrittsfenster 104 hindurchtreten sollen, ist daher bei Benutzung von Magnetspulen 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b eine Korrektur der Flug- bahn der beschleunigten Elektronen erforderlich.

Das Ablenken der Flugbahnen beschleunigter Elektronen infolge der Magnetfelder der Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b kann beispielsweise mitteis mindestens eines zusätzlichen Paares von gegenüberliegend angeordneten Poloidalspuien ausgeglichen werden, wobei das zusätzliche Paar von Poloidalspuien einen äußeren Radius aufweist, der noch kleiner ist als der innere Radius der Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b. Dabei sind jedoch vorzugsweise die Innenradien aller drei ringförmigen Magnetspuienpaare größer als der Außenradius des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 104 und die Außenradien aller der ringförmigen Magnetspulenpaare kleiner als der Innenradius der gitterförmigen zweiten Anode 108. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich die Magnetfelder der ringförmigen Magnetspulen innerhalb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hauptsächlich im Raum 102a erstrecken und dort zum Aufrechterhalten des Plasmas bzw. zur Korrektur der Flugbahn beschleunigter Elektronen beitragen. Alternativ ist aber auch je nach Anwendungsfall eine andere Anordnung der Magnetspulen möglich. Förderüche Werte für Anzahl, Position und Erregung der Magnetspulen für einen jeweiligen Anwendungsfall lassen sich beispielsweise mitteis Simulationsrechnungen finden.

Eine weitere Lösung zum Verlängern der Driftbahnen von n iederenergetischen Elektronen zwischen erster Kathode und erster Anode ist in Fig. 2 angegeben. In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 200 als perspektivische Querschnittsdarstellung schematisch dargestellt, die zunächst identische Bauteile und Merkmale der Vorrichtung 100 aus Fig. 1 umfasst, außer den Magnetspulen 1 1 1 a, 1 1 1 b, 1 12a, 1 12b. Statt der Magnetspulen weist die Vorrichtung 200 eine Anzahl von drahtförmigen Elektroden 213 auf, die sich durch den Raum 102a hindurch erstrecken und bei einem Gehäuse in Form eines kreisförmigen Ringes, wie Gehäuse 101 , auf einem identischen Radius und mit gleichem Abstand zueinander um die Achse 103 herum angeordnet sind. Dabei werden die drahtförmigen Elektroden 21 3, die ein leicht positives Spannungspotenzial in einem Bereich von +0,25 kV bis +5,0 kV gegenüber dem Gehäuse 101 aufweisen können, elektrisch isoliert durch das Gehäuse 101 und die ersten Kathoden 105a, 105b hindurchgeführt. Aufgrund der drahtförmigen

Elektroden 213 werden die niederenergetischen Elektronen im Raum 102a ebenfalls auf spiralförmige und somit verlängerte Bahnen gelenkt und damit das Plasma 106 aufrechterhalten. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eröffnet sich die Möglichkeit, eine ringwinkel- abhängige Leistungsvariation des schleifenförmig in sich geschlossenen Elektronenstrahls auszuüben. Bei einer Vorrichtung mit drahtförmigen Elektroden 213, wie bei Vorrichtung 200, kann dies erreicht werden, indem beispielsweise die einzelnen drahtförmigen

Elektroden 213 einzeln angesteuert werden (zum Beispiel leistungsgeregelt), um über die umlaufende Plasmadichte im Raum 102a die umlaufende Strahlstromdichte zu beeinflussen. Bei Vorrichtung 100, einer Vorrichtung mit magnetischer Verstärkung der Hilfsentladung zwischen erster Kathode und erster Anode, kann hingegen die ringförmige zweite Anode 108 bezogen auf den Ringwinkel segmentiert, von der ersten Kathode und ersten Anode elektrisch isoliert und jeweils einzeln angesteuert werden.

Im Unterschied zu bekannten Elektronenstrahlern erlaubt es das erfindungsgemäße

Strahlquellenkonzept, schnelle Spannungsänderungen (<10 ms) der Beschleunigungsspannung zwischen zweiter Kathode 107 und zweiter Anode 108 durchzuführen und dabei die Strahlleistung wahlweise konstant zu halten oder zwischen anderweitig vordefinierten Werten synchron zur Spannungsänderung zu variieren.

Um die Entstehung von Ozon und Stickoxyden zu minimieren, ist die Spülung des

Behandlungsraumes mit einem Edelgas empfehlenswert, wodurch gleichzeitig auch ein Kühleffekt am zu behandelnden Substrat und Elektronenaustrittsfenster entsteht. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin denkbar, den Energieeintrag in ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes Substrat, welches durch den Behandlungsraum geführt wird, durch geeignete Wahl oder Mischung unterschiedlicher Gase im Behandlungsraum zusätzlich zu beeinflussen, da die Energieabsorption und Elektronenstreuung auf der Gasstrecke zwischen Elektronenaustrittsfenster und der zu beaufschlagenden Oberfläche des Substrates von der Massendichte der lokalen Atmosphäre abhängen.

Die Regelung der Hilfsentladung zwischen erster Kathode und erster Anode, über deren Intensität die Elektronenstrahlleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geregelt werden kann, ist auf verschiedenen Wegen zu bewerkstelligen. Neben dem Gasfluss in die Vorrichtung kommen noch die Hilfsentladungsspannung zwischen erster Kathode und erster Anode sowie der Strom durch die ringförmigen Magnetspulen als Stellgröße hierfür in Frage. Bei einer Ausführungsform mit drahtförmigen Elektroden 213 stehen der Druck im Raum 102 und die elektrische Spannung der drahtförmigen Elektroden 213 als komplementäre Stellgrößen zur Auswahl. Dabei ist anzumerken, dass die elektrischen Stellgrößen generell kürzere Zeitkonstanten aufweisen und somit einerseits einer schnellen Regelung dienen können sowie andererseits einen gepulsten Betriebsmodus ermöglichen.

In den Fig. 3 sind zwei Varianten für ein Stützgitter eines Elektronenaustrittsfensters schematisch dargestellt. Dabei entspricht das Ausführungsbeispiel in Fig. 3a einer oftmals verwendeten Ausführungsform, während die zweite Variante in Fig. 3b ein Ausführungsbeispiel mit erhöhter Elektronentransmission darstellt. Beide Ausführungsformen bestehen aus einer Stützstruktur, deren einzelne Streben 321 im Querschnitt dargestellt sind, und die z. B. als Lochmuster, Wabenmuster oder als Gitteranordnung realisiert sein kann. Eine dünne Folie 320, beispielsweise eine etwa 1 5 μηη dicke Titanfoiie, oder aber auch Folien aus anderen Metallen oder keramischen Werkstoffen, trennt den Behandlungsraum, in dem Atmosphärendruck vorherrschen kann, vom Vakuum im evakuierbaren Raum einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem die Strahlerzeugung und Strahlführung vonstattengehen. Die Pfeile 322 stellen die Bewegungsbahnen von beschleunigten

Elektronen dar.

In Fig. 3a ist zu erkennen, dass bei Streben 321 a mit rechteckigem Querschnitt ein Anteil der beschleunigten Elektronen von der Gitterstruktur eines Elektronenaustrittsfensters vollständig absorbiert wird. Beim Ausführungsbeispiel in Fig. 3b weisen die Streben 321 b einen abgeschrägten Querschnitt auf, so dass ein Anteil beschleunigter Elektronen, der mit dem abgewandelten Stützgitter kollidiert, unter einem flachen Winkel auf dessen Flanken auf trifft. Ein signifikanter Anteil der totalreflektierten Elektronen kann dann das Strahlaustrittsfenster zusätzlich passieren.

Es ist auch möglich, das Stützgitter aus einem Schwermetall, das ein erhöhtes Reflexionsvermögen aufweist, zu fertigen oder es mit einem solchen Material zu beschichten.

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, umfassend ein Gehäuse (101 ), welches einen evakuierbaren Raum (102a; 102b) begrenzt und ein Elektronenaustrittsfenster (104) aufweist; einen Einlass für das Zuführen eines Arbeitsgases in den evakuierbaren Raum (102); mindestens eine erste Kathode (105a; 105b) und mindestens eine erste Anode (101 ), zwischen denen mittels einer ersten angelegten elektrischen Spannung ein Glimmentladungsplasma (106) im evakuierbaren Raum (102a) erzeugbar ist, wobei Ionen aus dem Glimmentladungsplasma (106) auf die Oberfläche (1 10) einer zweiten Kathode (107) beschleunigbar sind und von der zweiten Kathode (107) emittierte Elektronen mittels einer zwischen der zweiten Kathode (107) und einer zweiten Anode (108) angelegten zweiten elektrischen Spannung in Richtung Elektronenaustrittsfenster (104) beschleunigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (101 ), die zweite Kathode (107) und das Elektronenaustrittsfenster (104) ringförmig ausgebildet sind, wobei die Oberflächensenkrechten des Elektronenaustrittsfensters (104) und des Oberflächenbereichs (1 10) der zweiten Kathode (107), aus dem Elektronen emittiert werden, zum Ringinneren des ringförmigen Gehäuses (101 ) ausgerichtet sind. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Anode (108) als gitterförmiger Ringzylinder ausgebildet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kathode (105a; 105b) als Ringscheibe ausgebildet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (101) als erste Anode ausgebildet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (101) und die zweite Anode (108) das gleiche elektrische Spannungspotenzial aufweisen.

Vorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens zwei Paare ringförmiger Magnetspulen (1 1 1 a; 1 1 1 b; 1 12a; 1 12b), die außerhalb des Gehäuses (101 ) und an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (101 ) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Anode in Ringwinkelsegmente unterteilt ist, die voneinander elektrisch isoliert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Anzahl von draht- förmigen Elektroden (213), die sich durch den Raum (102a) hindurch erstrecken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtförmigen Elektroden (213) auf einem identischen Radius und mit gleichem Abstand zueinander um die Ringachse (103) des Gehäuses (101) herum angeordnet sind.