DE4391006C2 - Elektronenstrahlkanone - Google Patents

Abstract

Ein geerdeter metallischer Schirm (21) enthält eine Elektrode, die Heizfaden-Zuleitungen (21, 22) und Emitter (26, 27) einer Elektrodenstrahlkanone in einer Hochvakuum-Kammer (11) umschließt, wie sie beim Schmelzen und Gießen von Metallen und anderen Materialien und bei Verdampfungsquellen benutzt wird. Der Schirm ist von den Heizfaden-Zuleitungen und den Emittern in einem Abstand in der Größenordnung der mittleren freien Elektronenweglänge bei einem Druck angeordnet, wie er in der Hochvakuum-Kammer herrscht. Die Anordnung und das Verfahren ihrer Verwendung unterdrücken oder eliminieren Lichtbögen oder Glimmentladungen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlkanone der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der US-A-3 710 072 bekannten Art. Solche Elektronenstrahlkanonen werden auch als Transvers-Elektronenstrahlverdampfer bezeichnet.

In Vakuum-Öfen werden in der herkömmlichen Technik Elek­ tronenstrahlkanonen zum Schmelzen oder Gießen von Metallen und anderen Materialien verwendet, wobei Spannungen in einer Höhe von bis zu 50 kV und Barren von bis zu ca. 9 t Gewicht verwendet werden. Vakuum-Öfen können auch bei Verdampfungs­ quellen mit Elektronenstrahlbeheizung unter hohem Unterdruck bei der Herstellung von Dünnfilm-Elementen wie Viertelwellen- Stapelanordnungen für die optische Industrie oder für inte­ grierte Schaltkreise und in vielen anderen Anwendungsgebieten verwendet werden, bei denen als Teil des Herstellungsprozesses Dünnfilm-Technik eingesetzt wird. In dieser Art von Verfahren beträgt der Wert der Hochspannung manchmal nur 4 kV und hat einen Nennwert von 10 kV.

Es hat sich herausgestellt, daß bei beiden Elektronen­ strahltechniken der Betrieb durch eine Entladung der Hoch­ spannung durch einen Lichtbogen oder durch Glimmentladung gestört werden kann. Dies hat dadurch negative Auswirkungen, daß die Spannung auf wenige Hundert Volt sinken kann und der Strom auf ein Niveau steigen kann, das nur durch die Stromlie­ fer-Fähigkeit der außerhalb liegenden Spannungs-Versorgungs­ schaltungen begrenzt ist.

Die Lichtbogen- oder Glimmentladung entsteht dadurch, daß alle leitfähigen Oberflächen, an die eine negative Hochspannung angelegt ist, im Vakuum eine kleine Menge von Elektronen an geerdete Oberflächen wie die Kammerwände und die Einrichtungen im Ofen verlieren. Je nach der Höhe des Drucks in der Kammer kann ein Elektron auf der Energieschwelle ungefähr alle 20 Volt seines Weges von -10 kV bis 0 viele Gasatome ionisieren oder eine potentielle Zahl von ungefähr 500 Ionen und eine gleiche Anzahl von Elektronen. Außerdem wird der Gesamt-Strom noch durch den Fluß aller Elektronen aus den ionisierten Atomen und die begleitenden Elektronen aus ihrer Rolle im Ionen- Bildungsprozeß gesteigert. Dieser Effekt wird "Geiger- Entladung" genannt und hat eine Größe, die nur durch die äußeren Schaltungen begrenzt ist. Der anfängliche Entladestrom wird durch eine große Zahl sekundärer, von den unter negativer Hochspannung stehenden Oberflächen gelösten Elektronen ver­ stärkt, die mit positiven Ionen beschossen werden, die durch die negative Ladung angezogen werden.

Der oben geschilderte Effekt war für die Hochspannungs­ technik bisher ein Problem, das bis jetzt noch keine befriedi­ gende Lösung gefunden hat.

Auch bei der aus der US-A-3 710 072 bekannten Elektronenstrahlkanone kommt es aus den geschilderten Gründen durch Sekundärentladungen zu hohen Spannungsverlusten, weil im Vakuum kleine Mengen von Elektronen zu den Kammerwänden wandern, wobei die Verluste noch dadurch erhöht werden, daß die Elektronen Ionen bilden. Dieser Effekt wird als "Geiger- Entladung" bezeichnet, die nur durch äußere Schaltungen begrenzt werden kann. Der anfängliche Entladestrom wird durch eine große Anzahl sekundärer, von der unter negativer Hoch­ spannung stehenden Oberfläche gelösten Elektronen verstärkt, die mit positiven, durch die negative Ladung angezogene Ionen beschossen werden.

Aus der US-A-3 486 064 ist es bereits bekannt, die Kathode einer Elektronenstrahlkanone mit einem elektrisch leitfähigen Schirm zu umgeben, der gelochte oder ungelochte Seitenwände aufweist, und zwar in einem Abstand, der ausreichend klein ist, eine Glühentladung im Raum zwischen Kathode und Schirm zu verhindern. Diese Maßnahme allein würde aber die Entstehung von Sekundärentladungen bei Transvers-Elektronenstrahlverdampfern nicht verhindern. Gleiches gilt beispielsweise für die aus der GB-A-1 238 451 bekannte Anordnung, bei der nicht die Kathode, sondern die Zuleitung zur Kathode von einem Schirm umschlossen ist. Auch bei der aus der DE-A-21 15 590 bekannten Anordnung ist ein Schirm vorgesehen, der jedoch nicht alle Hochspannung führenden Teile der Anordnung umschließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausbildung parasitärer Gasentladungen (Lichtbögen, Glimmentladungen) wirksam zu vermeiden, die von den Hochspannung führenden Oberflächen in derartigen Elektronen-Emitteranordnungen ausgehen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die vorliegende Erfindung wird das Eintreten einer Lichtbogenbildungs- oder Glimm-Erscheinung unterdrückt, um zu verhindern, daß die Elektronenerzeugung aus einigen wenigen In­ itial-Elektronen auf ein Ampère verstärkt wird oder daß diese Elektronen einen hohen Strom von der Kathode zur Erde bilden.

Es hat sich herausgestellt, daß bei einer normalen Glimm- Entladung die Entfernung, über die sich der Kathodenfallraum über die Kathode hinaus erstreckt in der Größenordnung der freien Elektronenweglänge liegt. Auf die Länge der freien Elektronenweglänge tritt nach der Wahrscheinlichkeit nicht mehr als eine halbe ionisierende Kollision pro die Kathodenoberfläche verlassendes Elektron auf. Deshalb ver­ hindert gemäß der vorliegenden Erfindung eine geerdete Metall­ abschirmung oder -elektrode, die so konstruiert ist, daß sie die Wirkung des Elektronenstrahls nicht behindert, und die in einem Abstand einer freien Elektronenweglänge oder weniger von den unter Hochspannung stehenden Oberflächen angebracht ist, das Ansteigen des Elektronenflusses zu einem Punkt, an dem Lichbögen oder Glimm-Entladungen entstehen.

Außer der normalen, sehr niedrigen Anzahl der die unter negativer Hochspannung stehenden Oberflächen verlassenden Elektronen, die zu den geerdeten Oberflächen wandern, ist durch die Größe der freien Elektronenweglänge festgelegt, daß in diesem Weg zu wenige Gasatome zur Stromverstärkung auf das für das Auftreten von Lichtbogen- oder Glimm-Erscheinungen erforderlichen Niveau vorhanden sind. Dieser Effekt tritt auf, da durch das fast völlige Fehlen von Ionisationselektronen, durch die fast völlige Abwesenheit von photo-elektrischen Elektronen aus dem Beschuß von Kathodenoberflächen mit positi­ ven Ionen und das sehr geringe Vorhandensein von Elektronen zur Rekombination mit Ionen, fast kein Strom von den unter Hochspannung stehenden Oberflächen zur Erde fließt.

Es wurde ein Experiment zum Beweis dieser Behauptung vorgenommen. Ein genaues Ampèremeter wurde in Reihe mit dem Hochspannungs-Eingang einer Vakuumkammer geschaltet, um den durch die an die Oberflächen angelegte Hochspannung erzeugten Stromfluß zu überwachen. Im folgenden ist eine Tabelle aufge­ führt, in der die Strommessungen bei verschiedenen vor­ bestimmten Drücken angegeben sind.

Der Unterdruck ist in der praktischen Anwendung 50 bis 150 mal größer als der theoretische Betriebsdruck, und der Abstand, in dem die Abschirmung von den unter Hochspannung stehenden Oberflächen angebracht sein muß, wird aufgrund der höheren Drücke errechnet. Insbesondere bezieht sich "vorgewählter Unterdruck" auf den für das Beschichten oder Schmelzen ver­ wendeten Kammerdruck. Diese Drücke sind ungefähr 100 bis 150 mal geringer als die Drücke, bei denen ein lichtbogenfreier Betrieb erfolgreich möglich sein sollte, wenn die freie Elek­ tronenweglänge aufgrund dieser höheren Druckwerte berechnet wird und der Erdschirmabstand bei diesen höheren Druckwerten funktionieren soll. Ein Druck von 0,5 bis 5,0 Pa begrenzt den allgemeinen Bereich - was Abmessungen von 10,3 cm bis 1,26 cm entspricht.

Druckveränderungen in Vakuumkammern erreichen Faktoren von 100 oder mehr. Es treten ständig solche Erscheinungen auf, wie das örtliche Erwärmen von Oberflächen, versteckte Verbindungen zwischen Platten und in blinden, abgedeckten Schraubenlöchern verstecktes Gas, das austritt. Das Eintreten einer Lichtbogen- oder Glimmentladung erzeugt mehr Hitze, wodurch das Gaserzeu­ gungsproblem noch verschlimmert wird. Daher ist es beim Errechnen des Abstands zwischen dem Schirm und der unter Hochspannung stehenden Oberfläche mit Bezug auf die freie Elektronenweglänge notwendig, einen kürzeren Abstand zu wählen, um dem Ansteigen des Drucks um das 100- bis 150-fache entgegen­ wirken zu können. Bei geringen Drücken, bei denen die freie Elektronenweglänge sehr groß ist, treten weder Lichtbogen- noch Glimm-Effekte auf. Daß sie heutzutage nicht mehr auftreten, liegt an der örtlichen Gaserzeugung, an einem örtlich begrenz­ ten Bereich, in dem der Gradient der Hochspannung groß ist, und an anderen Faktoren. Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Lichtbogenbildung noch nicht eingetreten.

Bei der Verwendung von Elektronenkanonen zur Verdampfung gibt es ein Kriterium der freien Elektronenweglänge, das zur Erzeugung von Hochqualitätsbeschichtungen beachtet werden muß. Die freie Elektronenweglänge der Ofen-Atmosphäre sollte gleich oder länger sein als die Entfernung von der Quelle zum Substrat. Wenn das nicht der Fall ist, kann es sein, daß die Energie der hindurchwandernden Dampf-Atome durch Kollisionen beeinträchtigt wird, oder die Atome der Ofen-Atmosphäre an Energie verlieren. Eine große Entfernung ist zur erhöhten Gleichmäßigkeit der Beschichtungsdicke wünschenswert. Bei den meisten Elektronenstrahl-Beschichtern wird von einem Wert von 25 cm für die freie Elektronenweglänge ausgegangen, die zur Verhinderung der Bildung einer "matten" Beschichtung erforderlich ist. Dieser Wert wird bei einem Kammerdruck von 0,03 Pa erreicht. Die erfindungsgemäße Entfernung des geerdeten Schirmes von den unter Hochspannung stehenden Oberflächen sollte die freie Elektronenweglänge betragen bei ungefähr 2 Größenordnungen höher oder ungefähr 2 cm, um auch dann noch die Lichtbogenbildung zu unterdrücken, wenn örtliche Druckschübe auftreten, die ungefähr um einem Faktor 100 höher sind.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlkanone sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlkanone beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer erfin­ dungsgemäßen Vakuumkammer,

Fig. 2 den Querschnitt 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine Vergrößerung eines Teils von Fig. 1 und

Fig. 4 eine Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform, die Fig. 2 ähnlich ist.

Bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Erfindung wird die Lichtbogen- oder Gimmentladungs-Bildung schon in der Anfangsphase unterdrückt. Das wird durch das Bereitstellen des für den Elektronenfluß von den unter negativer Hochspannung stehenden Oberflächen zur Null- oder Erd-Spannung erforderlichen Raumes, dessen Entfernung jedoch auf ein wenig unter die freie Elektronenweglänge beim höchsten zu erwartenden Kammerdruck beschränkt ist, erreicht. Die Elektronen werden zwar auf ihrem Weg von den Kathodenoberflächen zur nahegelegenen 10 kV Erde beschleunigt, doch ist die Wahr­ scheinlichkeit für eine Kollision über die gesamte Entfernung minimal. Die Elektronen übertragen lediglich an diesem Punkt die 10 kV entsprechende Menge Energie an die Erde.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Vakuumkammer insgesamt durch den Teil einer Vakuumkammerwand 11 dargestellt. In der Kammer befindet sich ein Tiegel 12 mit einer Vertiefung 13, in der ein Metall oder ein anderes Material untergebracht ist, das geschmolzen oder verdampft wird. Hochspannungs-Zuleitungen 16 und 17 führen durch die Vakuumkammerwand 11, wobei eine Durchführung 18 die Zuleitungen mit einem hohen Unterdruck umgibt. Die Zuleitungen 16 und 17 sind mit den Heizfaden­ zuleitungen 21 bzw. 22 jeweils durch Schrauben 23 verbunden. An den Zuleitungen 21, 22 ist jeweils eine Emitter-Anordnung 26 bzw. 27 auch über Schrauben 28 angebracht. Die normale Funktion einer solchen Anordnung ist, das Material 14 im Tiegel 12 mit Elektronen aus der Elektronenkanone zu beschießen. Der Beschuß führt zum Schmelzen oder Verdampfen des Materials 14.

Bei der Emitter-Anordnung 40 der Fig. 3 erzeugen der Heizfaden 36 und die Anode 37 eine von der durch den Hoch­ spannungsisolator 39 isolierte Strahlbildungselektrode 38 gelenkte Elektronenemission. Die Strahlwegöffnung 42 wird im Schirm 31 durch das Einsetzen des Elektronenstrahls gebildet.

Im folgenden ist auszugsweise eine Tabelle der freien Elektronenweglängen bei verschiedenen Drücken angegeben.

Die Vakuumkammer steht je nach dem Verwendungszweck der Elektronenkanone unter einem anderen Druck.

Der Metallschirm 31 umgibt alle Hochspannungselemente und insbesondere die Zuleitungen 21, 22, die Durchführung 18 und die Emitter-Anordnung 26, 27. Der Abstand zwischen dem Schirm 31 und den genannten Elementen (hier "Hochspannungselemente" genannt) ist geringer als die freie Elektronenweglänge bei einem Druck von 4 Pa oder höher für eine Vakuum- Beschichtungsvorrichtung. Das entspricht in der ganzen Kammer einem Abstand von ungefähr 10,3 bis 1,26 cm zwischen den unter Hochspannung stehenden Oberflächen und Erde. In der praktischen Anwendung sind die runden Stab-Heizfadenzuleitungen 21, 22 in einer Metallröhre koaxial angebracht. Die Emitter-Anordnung 26, 27 ist ebenfalls in einem Abstand von 10,3 cm bis 1,26 cm mit Metallblech verkleidet. Die Evakuierung erfolgt durch Schlitzöffnungen 45 an den Enden und nicht gezeigten Biegungen, wobei die Schlitzöffnungen 45 klein genug sind, um die freie Elektronenweglänge aufrecht zu erhalten. Der Strahl selbst erzeugt ein kleines Loch 42 an der Stelle, wo er auf seinem Weg zum Tiegel 12 aus dem Schirm 31 austritt.

Bei dem oben beschriebenen Elektronenkanonensystem treten keine Lichtbögen oder Glimm-Entladungen auf, wenn die Kammer bei Drücken unter 4 Pa betrieben wird. Es hat sich herausgestellt, daß in der Zeit direkt nach dem Auspumpen die größte Entgasung der absorbierten atmosphärischen Luft statt­ findet, was folglich die Zeit der stärksten Lichtbogenbildung darstellt. Durch Aufheizen des Elektronenkanonen-Heizfadens wird ein Elektronenstrahl erzeugt, der sich vom Emitter aus in einem Bogen nach oben und dann in den Tiegel 12 hinunter erstreckt, wo er das darin befindliche Metall 14 schmilzt.

In Fig. 1 bis 3 beschreiben die Elektronenstrahlen jeweils einen Bogen von 180° auf ihrem Weg von der Emitter-Anordnung 40 zum Material 14 im Tiegel 12. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß Material durch die Öffnung 42 in die Emitter-Anordnung 36 fallen kann. In der Ausführungsform der Fig. 4 dient ein Magnet 43 dazu, den Elektronenpfad um 270° abzubiegen. In Fig. 4 stellt der Magnet 43 einen von mehreren Magneten dar, die in einem Umkreis um den Tiegel 12a angebracht und alle auf einer Stahl-Magnetbasis 44 befestigt sind. Die Elektronen treten durch die Öffnung 32a aus und beschreiben einen Bogen von 270°, bevor sie den Tiegel 12a erreichen.

In vieler Hinsicht ähneln die Elemente in Fig. 4 denen der Fig. 1 bis 3. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die gleichen jeweils durch "a" ergänzt.

Claims (4)

1. Elektronenstrahlkanone in einer Vakuumkammer (11), mit einem Tiegel (12) zur Aufnahme zu schmelzenden Materials (14), einer Emitter-Anordnung (26, 27), und Fokussier- und Lenkeinrichtungen für den von der Emitter-Anordnung (26, 27) erzeugten Elektronenstrahl, die den Elektronenstrahl in einem Bogen zum Tiegel (12) lenken, gekennzeichnet durch einen sämtliche Hochspannung führende Teile der Elektronenkanone bis auf eine kleine Öffnung (42) für den Durchtritt des Elektronenstrahls umschließenden Schirm (31) mit Schlitzen (45) zum Auspumpen und Erzeugen eines Unterdrucks in der Vakuumkammer (11), wobei der Abstand zwischen den Hochspannung führenden Teilen (18, 21, 22, 26, 27) und dem Schirm (31) kleiner als die mittlere freie Elektronenweglänge und die kleine Öffnung (42) versetzt gegenüber der Emitteranordnung (36a, 37a, 38a) so angeordnet ist, dass verdampftes Material nicht durch die kleine Öffnung (42) auf die Emitteranordnung (36a, 37a, 38a) fallen kann.

2. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (31) im Bereich der Zuleitungen (21, 22) zum Heizfaden (36) der Emitteranordnung (26, 27) als diese umschließende Röhre ausgebildet ist.

3. Elektronenstrahlkanone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (31) den Emitter (26, 27) umschließende Bleche aufweist.

4. Elektronenstrahlkanone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl zwischen Emitteranordnung (36a, 37a, 38a) und Tiegel (12) einen Bogen von etwa 270 Grad beschreibt.