DE4000573A1 - Elektronenstrahlerzeuger und emissionskathode - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektronen­ strahlerzeuger mit einer beheizten Elektronen-Emis­ sionskathode, eine Elektronenstrahl-Verdampfungsein­ richtung mit einem derartigen Erzeuger sowie eine Va­ kuum-Behandlungsanlage mit Elektronenstrahl-Verdamp­ fer und einem solchen Elektronenstrahlerzeuger.

Ein Elektronenstrahlerzeuger, wie eingesetzt in Vaku­ um-Bedampfungsanlagen zur Erzeugung eines Elektronen­ strahls, der, nach Erzeugung, mittels elektronen-op­ tischer Maßnahmen auf einen Tiegel umgelenkt wird, um dort Material zu verdampfen, umfaßt üblicherweise eine Elektronen-Emissionskathode, die entweder direkt durch joulsche Wärme beheizt wird oder indirekt, z. B. indem sie im unmittelbaren Bereich eines Heizorgans montiert ist. In beiden Fällen liegt üblicherweise die Elektronen-Emissionskathode im Betrieb auf nega­ tivem Hochspannungspotential, während eine unmittel­ bar über der genannten Kathode angeordnete Anode, z. B. auf Massepotential gelegt wird. Desgleichen sind üblicherweise Anlageteile, woran ein solcher Erzeuger montiert ist, auf Massepotential gelegt. Damit liegen über einem solchen Elektronenstrahlerzeuger üblicher­ weise Hochspannungen, so daß zwischen Kathoden-Mon­ tageteilen und Montageteilen für den Erzeuger an ei­ nem Anlageteil entsprechende Isolationen vorgesehen werden müssen.

Ein zweites Erfordernis, das bei solchen Erzeugern eingehalten werden muß, ist, daß die Elektronen- Emissionskathode bezüglich des anzumontierenden Anla­ geteils sehr genau positioniert werden muß, damit die von der Kathode emittierten Elektronen nach Pas­ sieren der Erzeugeranode reproduzierbar genau in die nachgeschalteten elektronen-optischen Einheiten ein­ treten. Dies unter Berücksichtigung der großen, am Erzeuger entstehenden Temperaturgradienten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektronenstrahlerzeuger vorzuschlagen, welcher in seinem Aufbau äußerst einfach und robust ist und bei dem die reproduzierbar exakte Kathodenmontage und Montage übriger, elektronen-optisch relevanter Teile einfach und zuverlässig gewährleistet ist.

Dies wird beim Erzeuger obgenannter Art durch Ausbil­ dung nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 er­ reicht.

Dadurch wird ein Kathodenwechsel einfach und reprodu­ zierbar und auch die Montage und Demontage des ganzen Erzeugers, wie zu Reinigungszwecken, sind einfach und reproduzierbar genau. Dabei werden klar definierte reproduzierbare Wärmeleitungsverhältnisse geschaffen und die Verwendung des Trägerkörpers als mechanische Referenz ermöglicht unterschiedliche Temperaturaus­ dehnungen von Isolator und Metallteilen, ohne Ein­ fluß auf die elektronen-optischen Verhältnisse.

Als Trägerkörper wird dabei vorzugsweise ein Träger­ körper aus Al₂O₃ eingesetzt.

Bei einem solchen, strukturell einfachen Erzeugerauf­ bau ist es, wie erwähnt, wesentlich, daß eine defi­ nierte, reproduzierbare Wärmeleitung auch zwischen kathodenseitiger Trägerkörperpartie und metallischen Teilen der Anlage, woran der Erzeuger montiert wird, sichergestellt ist.

Dies wird nun gemäß Wortlaut von Anspruch 3 dadurch sichergestellt, daß der Trägerkörper auf der einen Seite an einem metallischen Kontaktkörper großflä­ chig festgespannt ist, wodurch die erforderten Wärme­ leitungsverhältnisse zwischen isolierendem Trägerkör­ per und dem erwähnten metallischen Kontaktkörper si­ chergestellt werden.

Im weiteren ist es, wie erwähnt, oft höchst vorteil­ haft, an einer gesamten Verdampfungseinrichtung, bei­ spielsweise mit Elektronenstrahlerzeuger, Elektronen­ optiken und Tiegel, den Elektronenstrahlerzeuger auf einfachste Art demontieren bzw. montieren zu können, um, beispielsweise bei Verbrauch der Elektronen-Emis­ sionskathode, einen Bedampfungsprozeß nur kürzeste Zeit unterbrechen zu müssen oder um einen zu warten­ den Erzeuger durch einen überholten zu ersetzen. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, gemäß Wortlaut von Anspruch 4, auf der einen Seite des Trägerkörpers min­ destens ein Schnellverschlußorgan zur Schnellmonta­ ge/-demontage des Erzeugers vorzusehen.

In einer bevorzugten einfachen Ausführungsvariante gemäß Wortlaut von Anspruch 5 umfaßt ein solches Schnellverschlußorgan mindestens einen vorragenden Bolzen mit Radial-Konus-Bohrung.

Erfindungsgemäß wird dann ein solcher Schnellver­ schluß anlageseitig gemäß Wortlaut von Anspruch 6 ausgebildet.

Durch diese Ausbildung wird auf höchst einfache Art und Weise erreicht, daß der Erzeuger über den Schnellverschluß am Anlageteil, an welchem er zu montieren ist, festgespannt wird, womit ermöglicht wird, einerseits den Erzeuger in eindeutig definierte Lage zu montieren und anderseits, durch das Festspan­ nen, auch zwischen dem Erzeuger und den erwähnten An­ lageteilen einen definierten Wärmeübergang reprodu­ zierbar zu gewährleisten.

In einer einfachen und bevorzugten Ausführungsvarian­ te ist gemäß Wortlaut von Anspruch 7 die Elektronen- Emissionskathode eine direkt durch joulsche Wärme be­ heizte Emissionskathode oder eine indirekt beheizte, dann vorzugsweise als bauliche Einheit mit Heizorga­ nen aufgebaute Kathode. Es sind weiter am obgenannten Trägerkörper auf der anderen Seite - bezüglich derje­ nigen, die zur Montage in der Anlage ausgebildet ist - zwei metallische Kathodenanschluß-Halteblöcke vor­ gesehen, die die Kathode auch unter hoher thermischer Wechselbelastung präzise am Trägerkörper fixieren.

Gemäß Wortlaut von Anspruch 9 wird im weiteren die Kathode bezüglich einer Emissionsfläche genähert "punktuell" montiert, damit sie sich thermisch ver­ zugslos, d. h. frei ausdehnen kann und an der bevor­ zugten Ausführungsvariante, bei der die Kathode als durch joulsche Wärme direkt oder indirekt beheizte Kathode ausgebildet ist, werden dabei zwei im wesent­ lichen parallele Halteanschlüsse, vorzugsweise auch für den Heizstrom vorgesehen, welche bezüglich der Kathoden-Emissionsfläche gleichseitig vorragen, wobei die Kathode an diesen beiden Anschlüssen mechanisch gehaltert wird, damit sie sich im obgenannten Sinne thermisch frei ausdehnen kann und vorzugsweise auch stromgespiesen wird.

Die am Trägerkörper vorgesehenen Kathoden-Anschluß­ blöcke werden dabei bevorzugterweise nach dem Wort­ laut von Anspruch 10 ausgebildet, indem sie nämlich je eine Fixiereinrichtung für einen der Kathodenan­ schlüsse umfassen.

Um nun an einem solchen Erzeuger die Kathoden gesi­ chert fehlerfrei ersetzen zu können, die in vielen Fällen nur in einer vorgegebenen, bestimmten Lage montiert werden dürfen, wird gemäß Wortlaut von An­ spruch 11 vorgeschlagen, einerseits kathodenseitig die Kathodenanschlüsse unterschiedlich auszubilden und ebenso, erzeugerseitig, die Fixiereinrichtungen, derart, daß jeweils einer der Kathodenanschlüsse le­ diglich in eine der Fixiereinrichtungen einbringbar ist, womit ein fehlersicheres Einbringen einer Katho­ de sichergestellt wird: Die Kathode kann dann nur in einer vorgegebenen Lage montiert werden; es ist aus­ geschlossen, die falsche Kathodenseite in Emissions­ richtung zu montieren.

Gemäß Wortlaut von Anspruch 12 wird weiter, um nicht nur die Kathode im genannten Sinne flächenrichtig zu montieren, sondern auch in exakt vorgegebene Posi­ tion, vorgeschlagen, daß an mindestens einer der Fi­ xiereinrichtungen eine Anschlageinrichtung vorgesehen ist, womit die Emissionskathode lediglich in An­ schlagposition gebracht werden muß, dort fixiert werden muß, um dann mit Sicherheit in richtiger Po­ sition zu liegen.

Wie eingangs erwähnt wurde, liegen üblicherweise an derartigen Elektronenstrahlerzeugern, zwischen Katho­ de und Anlageteilen, an welchen der Erzeuger montiert ist, hohe Spannungswerte. Damit ist es von großer Wichtigkeit, daß Isolationsvorkehrungen zwischen Ka­ thode und den erwähnten Anlageteilen bleibend hohe Oberflächenwiderstände aufweisen. Dies ist bei vielen Einsatzvarianten derartiger Erzeuger nicht selbstver­ ständlich, wenn man beispielsweise bei Vakuumbedamp­ fungsanlagen bedenkt, daß oft leitendes Material vom Tiegel verdampft wird, welches sich sehr wohl auch auf den Isolationsteilen des Strahlerzeugers nieder­ setzen kann. Auch die Kathode wird während ihres Be­ triebes verdampft, indem sie einem Ionenbeschuß aus­ gesetzt ist, so daß eine zweite Quelle der Isola­ tionsbeeinträchtigung von der Kathode am Erzeuger herrührt. Gemeinsam an beiden, den erwähnten, die Isolation beeinträchtigenden Faktoren ist, daß ver­ dampftes, leitendes Material in weit überwiegendem Maße, bezüglich des Erzeugers, von derjenigen Seite her stammt, in die die Emissionsfläche der Kathode gerichtet ist bzw. von der Seite, nach der der Elek­ tronenstrahl erzeugt wird.

Ausgehend von dieser Erkenntnis wird nun am erfin­ dungsgemäßen Erzeuger die Oberflächenisolation da­ durch vor Beeinträchtigung durch verdampftes Katho­ denmaterial und Prozeßdampf geschützt, daß der Trägerkörper gegen die andere Seite hin, d. h. gegen die Elektronen-Emissionsseite hin, überkragend abge­ deckt wird, gemäß Anspruch 13. Bei Vorsehen von Ka­ thoden-Halteblöcken oben genannter Art, die zur Heiz­ strombeaufschlagung der Kathoden voneinander getrennt sein müssen, d. h., es muß ein Spalt zwischen ihnen vorgesehen sein, wird nun die genannte Beeinträchti­ gung der Oberflächenisolation des erfindungsgemäß eingesetzten Trägerkörpers dadurch verhindert, daß gemäß Wortlaut von Anspruch 14 die Kathodenhalte­ blöcke den Trägerkörper überkragen und, ohne sich zu kontaktieren, so formkomplementär einander übergrei­ fen, daß aus Richtung der anderen Trägerkörperseite, d. h. von der Seite her, in die der Strahl erzeugt wird, der Trägerkörper durch die Kathoden-Halteblöcke vollständig abgedeckt ist. Dadurch wird sicherge­ stellt, daß lediglich diese Kathoden-Halteblöcke durch Kathoden- oder Prozeßdampf beaufschlagt wer­ den, was, solange ihre elektrische Trennung gewähr­ leistet ist, ohne Einfluß auf die Funktion des Er­ zeugers ist.

Bei direkt oder indirekt, als Baueinheit, beheizten Elektronen-Emissionskathoden muß ein hoher Heiz­ strom, der mehrere Ampere betragen kann, durch die Kathoden bzw. Heizeinrichtung fließen. Ein solcher Strom erzeugt ein namhaftes Magnetfeld, welches die Emissions-Charakteristik der Kathode sowie die Elek­ tronenausbreitung stark beeinflussen kann. Berück­ sichtigt man weiter, daß gerade ein Vorteil direkt beheizter Elektronen-Emissionskathoden und auch als in sich geschlossene Bauteile bereitgestellter, indi­ rekt beheizter Kathoden darin liegt, daß die Emis­ sionsleistung höchst einfach durch Änderungen des Heizstromes geändert werden kann, so ist ersichtlich, daß dieses Magnetfeld bei den hohen Strömen mit nicht vernachlässigbarem Rippel oder, bei einer AC- Stromspeisung oder auch nur das bei Änderungen eines DC-Heizstromes, einen AC-Magnetfeld-Anteil aufweist, der, zusätzlich zum ebenfalls störenden DC-Anteil, außerordentlich störend sein kann, bezüglich der ge­ wollten Emissions- und Ausbreitungscharakteristik des Erzeugers. Um dem entgegenzuwirken, wird nun vorge­ schlagen, den Erzeuger gemäß Wortlaut von Anspruch 15 aufzubauen, d. h. Stromzuleitungen zur beheizten Emissionskathode so zu führen, daß, wenn man die Emissionsfläche der Kathode betrachtet, diese Strom­ zuleitungen erst in größtmöglichem Abstand von der genannten Emissionsfläche durch eine durch diese Flä­ che definierte Ebene durchtreten. Solange diese Stromzuführungen unterhalb der durch die Emissions­ fläche definierten Ebene liegen, können die durch Ströme in diesen Stromzuleitungen erzeugten Magnet­ felder weitgehendst durch metallische Schirm- oder Steuerelektroden über der Kathode geshuntet werden.

Wird der Erzeuger gemäß Wortlaut von Anspruch 16 mit einem im wesentlichen quaderförmigen Trägerkörper aufgebaut, wobei die Emissionsfläche der Kathoden im wesentlichen in der einen Ecke einer der Quaderflä­ chen liegt, so werden entsprechend oben Gesagtem die Stromzuführungen für die Kathode an einer diese Ecke nicht bildenden Seitenfläche des Quaders angeordnet, d. h. über der Diagonalen dieses Quaders in weitest möglichem Abstand von der genannten Emissionsfläche.

Im weiteren wird bevorzugterweise am erfindungsgemä­ ßen Erzeuger, gemäß Anspruch 17, eine Steuer-Elek­ trode über der Emissionskathode vorgesehen, welche bevorzugterweise mit Schrauben befestigt ist, derart, daß dieser dem Ionenbeschuß vermehrt ausgesetzte Teil sehr einfach und ohne jegliche Demontage weite­ rer Teile am Erzeuger ausgewechselt werden kann.

Die genannte Steuerelektrode wird dabei auf erwünsch­ tes Potential gelegt und zu weiteren Zwecken einge­ setzt, nämlich einerseits, um Magnetfelder über der Emissionsfläche der Kathode zu shunten und ander­ seits, um eine möglichst gute Wärmeableitung zu ge­ währleisten.

Zu diesem Zwecke ist die Steuerelektrode gemäß Wort­ laut von Anspruch 18 in Sandwichbauweise aufgebaut, mit einer der Kathode zugewandten ersten Schicht und einer magnetisch gut leitenden, von der Kathodenflä­ che abgekehrten, zweiten Schicht. Sie wirkt somit in zweierlei Hinsicht als Hitzeschild bzw. als Ionenbe­ schuß-Schild und als magnetische Abschirmung, abge­ sehen von ihrer allfälligen Steuerfunktion. Zur Erhö­ hung der Hitzeschildwirkung ist sie vorzugsweise mit einem Zwischenraum zwischen den Schichten aufgebaut.

Im weiteren wird in einem bevorzugten Aufbau des er­ findungsgemäßen Erzeugers gemäß Wortlaut von An­ spruch 19 die emissionsseitig der Kathode vorzusehen­ de Anode nicht am Trägerkörper montiert, sondern über einen metallischen Verbinder am Kontaktkörper, wel­ cher, wie eingangs erwähnt wurde, an der der Kathode abgewandten Trägerkörperseite vorgesehen wird. Damit ist sichergestellt, daß von der Anode ein optimaler, direkter metallischer Wärmeleitpfad über den erwähn­ ten Kontaktkörper zum Anlageteil, an welchem der Er­ zeuger montiert wird, gewährleistet ist. Zudem kann die Anode wiederum demontiert werden, ohne an der Ka­ thodenmontage am Trägerkörper irgend etwas ändern zu müssen.

Um im weiteren die Beeinflussung der Kathoden-Emis­ sions-Charakteristik durch Heizstrommagnetfelder wei­ ter zu reduzieren wird vorgeschlagen, nach dem Wort­ laut von Anspruch 20 eine Abschirmung zwischen Berei­ chen, in welchen die Heizstromleiter durchlaufen und dem Emissionsflächenbereich der Kathode vorzusehen.

Dem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip der Ein­ fachheit und Bedienungsfreundlichkeit folgend wird weiter gemäß Wortlaut von Anspruch 21 vorgeschlagen, daß alle wesentlichen Teile am Erzeuger mit mög­ lichst wenig Schrauben befestigt sind, und daß sie gegenseitig so ausgebildet sind, daß sie formschlüs­ sig auf Anschlag nur in vorgegebenen Positionen rela­ tiv zueinander montierbar sind. So sind am Trägerkör­ per die Kathoden-Halteblöcke nur in vorgegebener Po­ sition durch Schrauben montierbar, an den genannten Kathoden-Halteblöcken, die Emissionskathode durch ge­ schraubte Klemmorgane nur in einer vorgegebenen Posi­ tion, bezüglich der Kathoden-Emissionsfläche die Steuerelektrode ebenfalls mittels Schrauben und nur in einer Position, ebenso die Anode mit Lochblende für das Durchtreten des Elektronenstrahls. Die Ver­ schraubung erfolgt ohne Gewindeeingriff im Trägerkör­ per, die Teile werden über letzteren verschraubt, ge­ genseitig verspannt.

Eine Elektronenstrahl-Verdampfungseinrichtung nach Anspruch 22 mit dem erfindungsgemäßen Strahlerzeuger ist bezüglich der elektronen-optischen Strahlerzeu­ gungsorgane außerordentlich einfach wartbar und es bedarf zu ihrer Wartung nur geringstmöglicher Be­ triebsunterbrüche, dank der Tatsache, daß bei zu wartendem Strahlerzeuger letzterer nicht an der Anla­ ge gewartet zu werden braucht, sondern durch einen überholten ersetzt werden kann. Damit wird aber nicht nur die Verdampfungseinrichtung mit einem solchen Er­ zeuger mit wesentlich geringeren Betriebsunterbruchs­ zeiten einsetzbar, sondern die ganze Vakuum-Behand­ lungsanlage, wenn man bedenkt, daß der Elektronen­ strahlerzeuger im Grunde genommen das "Herz" einer solchen Anlage ist und mit seinem längeren Ausfall auch die Anlage ausfällt, es sei denn, es seien, wie beim erfindungsgemäßen Erzeuger, Vorkehrungen ge­ troffen, solche Ausfallzeiten auf ein Minimum zu ver­ kürzen, nämlich durch die erfindungsgemäße höchst einfache Ersetzbarkeit einem Verschleiß meistausge­ setzter Teile, wie von Anode und Steuerelektrode bzw. Kathode oder gar des ganzen Erzeugers, wie für dessen Überholung.

Die Erfindung wird nun anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemä­ ßen Erzeugers an einem schematisch darge­ stellten Anlageteil montiert und eine Teilschnittdarstellung eines daran vorge­ sehenen Schnellverschlusses,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Erzeuger gemäß Fig. 1, mit teilweise weggeschnittener Anodenplatte,

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung gemäß Linie II-II durch den erfindungsgemäßen Er­ zeuger gemäß Fig. 2,

Fig. 4 und 5 je eine an einem erfindungsgemäßen Er­ zeuger bevorzugterweise eingesetzte, di­ rekt beheizte Elektronen-Emissionskatho­ de,

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung gemäß Linie VI-VI durch eine Kathode gemäß Fig. 5 in ebener und bombierter Ausbildung,

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung einer erfin­ dungsgemäßen, vorzugsweise am erfin­ dungsgemäßen Strahlerzeuger eingesetzte, indirekt beheizte Emissions-Kathodenan­ ordnung.

Der erfindungsgemäße Strahlerzeuger ist um einen isolierenden, im wesentlichen quaderförmigen Träger- bzw. Grundkörper 1, beispielsweise aus Aluminium­ oxid, aufgebaut. An der einen planen Seite 3 des Grundkörpers 1 ist z. B. mittels vier Halterschrauben 5 ein metallischer Kontaktkörper bzw. Schnittstel­ lenblock 7 festgespannt, wobei die plane Seite 3 des Grundkörpers 1 auf einer ebenso planen Fläche des Blockes 7 aufgespannt ist. Das Gewinde für die Schrauben 5 ist nicht im Grundkörper 1, sondern z. B. im Schnittstellenblock 7 vorgesehen. Damit ist ein definierter, reproduzierbarer Wärmeübergang zwischen Grundkörper 1 und Schnittstellenblock 7 gewährlei­ stet. Auf der dem Grundkörper 1 abgewandten Seite des Schnittstellenblockes 7 ragt ein Schnellver­ schluß-Spannbolzen 9 vor.

In den Schnittstellenblock 7 ist eine Anschlagstufe 11 eingearbeitet. Mit dieser Anschlagstufe 11 wird der Schnittstellenblock 7 an einen entsprechenden Anschlag an einem schematisch bei 13 dargestellten Anlageteil montiert, wie beispielsweise an einer Elektronenstrahl-Steuereinheit zur Steuerung des Strahlpfades und/oder der Strahl-Fokussierung.

Der Schnellverschluß-Spannbolzen 9 wird in eine entsprechende (nicht dargestellte) Zylinderbohrung am Anlageteil 13 eingeführt. Am Schnellverschluß- Spannbolzen 9 ist radial eine vorteilhafterweise durchgehende, sich konisch verengende Spannbohrung 15 vorgesehen. Am Anlageteil 13 seinerseits ist, wie in Fig. 1b schematisch dargestellt, eine Spann­ schraube 14 vorgesehen, die in die Spannbohrung 15 radial einragt. Dabei ist die Achse A₁₄ dieser Schraube 14 bezüglich der Achse A₁₅ der Spannbohrung 15 um wenig in Einführrichtung des Schnellver­ schluß-Spannbolzens 9 versetzt, derart, daß durch Einschrauben P der konisch verlaufenden Schrauben­ spitze in die Spannbohrung 15 aufgrund der Keilungs­ kräfte, der Block 7 gegen die planbearbeitete Kon­ taktfläche des Anlageteils 13 gespannt - F - wird.

Mittels Kathodenhalterschrauben 17, wovon in Fig. 1 lediglich eine dargestellt ist, sind, an der dem Schnittstellenblock 7 entgegengesetzten Seite des Grundkörpers 1, zwei Kathodenanschlußhalter 19a und 19b mit Gewinde für die Schrauben 17 festgeschraubt. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, ist in je­ dem der Kathodenanschlußhalter 19a bzw. 19b eine Aufnahmenut 20a bzw. 20b eingearbeitet, wobei die eine der beiden Nuten, wie dargestellt, die Nut 20b, breiter ausgebildet ist als die andere, die Nut 20a, und beide zueinander parallel verlaufen. In die Nut 20b ragt, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ein Anschlag­ bolzen 22 ein. Die beiden Kathodenanschlußhalter 19a und 19b sind, wie insbesondere aus Fig. 1 er­ sichtlich, so ausgebildet, daß sie allseits die im wesentlichen plane, dem Schnittstellenblock 7 abge­ wandte Seite des Grundkörpers 1 mit einem Rand 18 überkragen, wobei sich die beiden Kathodenanschluß­ halter 19a und 19b weiter so hintergreifen, wie in Fig. 1 ersichtlich, daß sie durch einen labyrinth­ ähnlichen Spalt 24 getrennt sind. Damit ergibt sich, betrachtet von der mit den Nuten 20 versehenen Sei­ te, worin, wie nachfolgend beschrieben werden wird, eine Emissionskathode montiert wird, keinerlei Sichtverbindung mit dem isolierenden Grundkörper 1. Damit wird erreicht, daß sich im wesentlichen kein Verdampfungsmaterial, wie verdampftes Kathodenmate­ rial oder Verdampfungsmaterial, das durch den Elek­ tronenstrahl für den Prozeß verdampft wird, auf dem Isolationsgrundkörper 1 niedersetzen kann, womit dessen hohe Oberflächenisolations-Standzeit wesent­ lich verlängert wird. Um den Grundkörper 1 erstreckt sich eine Nut 21, durch die der Kriechstromweg ent­ lang des Grundkörpers 1 verlängert wird.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, im Zusam­ menhang mit Fig. 3, wird in die beiden Kathodenan­ schlußnuten 20a und 20b je ein Anschluß einer Elektronen-Emissionskathode 26 eingeführt, wobei der eine Anschluß der Kathode 26 breiter ist als der andere und mithin die Kathode nur in einer definier­ ten Lage in die Nuten eingeführt werden kann, zudem exakt in die erwünschte Position aufgrund des An­ schlages 22. Nach Einführen der beiden Kathodenan­ schlüsse wird die Kathode 26 mittels Klemmschuhen 28a und 28b über Schrauben 30a und 30b an den ent­ sprechenden Anschlußhaltern 19a bzw. 19b festge­ klemmt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, bildet der Grundkörper 1 bereits für die Teile 7, 19, mit An­ schlagsflächen, eine exakte Positionsreferenz.

Wie aus den Fig. 2 und 3 weiter ersichtlich, ist die Emissionskathode 26 ausschließlich an ihren An­ schlüssen montiert, und die Elektrodenemissionsflä­ che 34 liegt ansonsten frei. Dies ermöglicht, daß sich die Elektronen-Emissionskathode 26 thermisch in allen Richtungen ausdehnen kann, ohne daß daran me­ chanische Spannungen und ein entsprechender Verzug entstünden.

Es werden bevorzugterweise Elektronen-Emissionska­ thoden, wie in den Fig. 4, 5 und 6 oder 7 darge­ stellt, eingesetzt.

Gemäß Fig. 4 umfaßt eine bevorzugterweise einge­ setzte, direkt beheizte Elektronen-Emissionskathode 26 einen Emissionskörper 41, der flächig ausgebildet ist und die im wesentlichen kreisförmige Emissions­ fläche 34 festlegt. Eine Schlitzanordnung im Körper 1 umfaßt einen ersten, vom Kathodenanschluß 32a sich spiralförmig gegen das Zentrum Z erstreckenden Schlitz 44a, neben welchem ein zweiter, ebenso spi­ ralförmig gegen das Zentrum Z zulaufender Schlitz 44b vorgesehen ist. Im Zentrum Z ist die Integrität des Emissionskörpers 41 mittels einer verbleibenden Brückenpartie 46 gewährleistet, so daß durch die beiden spiralförmigen Schlitze 44a und 44b eine bi­ filare Stromleiteranordnung I realisiert ist, durch welche, wie mit den Pfeilen angedeutet, ein Heiz­ strom getrieben wird. Die Breite der Schlitze 44a bzw. 44b ist geringer als die Breite D des Stromlei­ ters I, und es kann die lokale Wärmeentwicklung und damit die Elektronen-Emissionsverteilung entlang der Emissionsfläche, definiert durch den Emissionskörper 41, durch lokale, stetige oder diskontinuierliche Veränderung des Stromleiterquerschnittes beeinflußt werden. Dabei ist bevorzugterweise die Breite D des Stromleiters größer als die Dicke des platinenför­ migen Körpers 41.

In Fig. 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsva­ riante der am Elektronenstrahlerzeuger 1 eingesetz­ ten, direkt beheizten Elektronen-Emissionskathode 26 dargestellt. Sie ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie die in Fig. 4 dargestellte, weist aber im Zen­ trum Z eine bevorzugterweise kreisförmige Durch­ trittsöffnung 48 auf, zur Verhinderung von Ionenbe­ schußerosion.

In Fig. 6 ist einerseits eine Querschnittsdarstel­ lung gemäß Linie VI-VI von Fig. 5 durch eine be­ vorzugterweise eingesetzte Elektronen-Emissionska­ thode 26 dargestellt und darunter die analoge Quer­ schnittsdarstellung einer nicht planen, sondern zu einer Raumfläche gebildeten, wie gepreßten Emis­ sionskathode, wie sie durch einen Preßvorgang aus einer, im wesentlichen planen, weitergebildet werden kann.

In Fig. 7 ist eine bevorzugte Ausführung der erfin­ derischen Ausführungsvariante einer am erfindungsge­ mäßen Strahlerzeuger eingesetzten indirekt beheiz­ ten Elektronen-Emissionskathode dargestellt. Es han­ delt sich dabei um eine Kathodenanordnung mit inte­ grierter Heizung, welche bevorzugterweise und je nach Einsatzzweck gut in miniaturisierter Ausführung hergestellt werden kann.

Sie umfaßt einen Topf 70, welcher einseitig durch einen, gegebenenfalls entfernbaren, als Elektronen- Emissionsfläche wirkender Deckelteil 72 verschlossen ist. Der als Emissionsfläche wirkende Deckelteil 72 ist aus dem erwünschten Kathodenmaterial herge­ stellt, gegebenenfalls abweichend von den übrigen Teilen des Topfes 70. Im Topf 70, unmittelbar dem als Emissionsfläche wirkenden Deckelteil benachbart, ist eine Heizspirale 74 angeordnet, mit Stromzulei­ tungen 76 und 78. Die Stromzuleitung 76 ist galva­ nisch mit dem Deckelteil 72 verbunden, um die Emis­ sionsfläche auf kathodisches Potential zu legen. Die zweite Stromzuführung 78 ist isoliert, wie mittels einer keramischen Durchführung 80 aus dem Topf 70 herausgeführt. Um insbesondere beim Einsatz in Vaku­ umanlagen eine gute Wärmeleitung zwischen Heizspira­ le 74 und Emissionsfläche 72 sicherzustellen, wird gegebenenfalls der Topf 70 hermetisch dicht ausge­ bildet und darin ein Wärmeleitungsgas gekapselt. Die in Fig. 7 schematisch dargestellte indirekt beheizte Elektrode wird in den erfindungsgemäßen Strahler­ zeuger montiert, genau gleich, wie die vorgängig be­ schriebene, direkt beheizte Kathode.

Zur Zuführung des Heizstromes I sind an den Katho­ denanschlußhaltern 19a und 19b je Stromzuführungs­ schienen 51a bzw. 51b festgeschraubt, und zwar be­ züglich der Kathodenanschlußhalter 19a bzw. 19b rechtwinklig zu den Nuten 20a bzw. 20b und auf der von der Emissionsfläche 34 der Kathode 26 entfernten Seite des Erzeugers. Abschnitte der Stromzuführungs­ schienen 51, welche über die Ebene E der Emissions­ fläche 34 - Fig. 1 - der Emissionskathode 26 vorra­ gen, sind möglichst weit von genannter Fläche 34 entfernt. Die Raumbereiche mit den Zuführschienen 51 einerseits und der Emissionskathode 26 andererseits sind mittels eines Schirmbleches 53 voneinander ge­ trennt. Ein solches Schirmblech 53, wie strichpunk­ tiert in den Fig. 1 und 2 eingetragen, wird bei­ spielsweise mittels einer Klemmschraube auf Anoden­ potential montiert.

Wie weiter insbesondere in Fig. 2 ersichtlich, ist normalerweise mit dem einen der beiden Kathodenan­ schlußhalter 19a oder 19b elektrisch verbunden, wie dargestellt mit dem Halter 19b, ein Steuerelektro­ den-(Wehnelt)-Halteblech 55 montiert, das z. B. auf dem gleichen Potential betrieben wird wie die Elek­ tronen-Emissionskathode. Dabei ist sichergestellt, daß das Halteblech 55 nur einen der beiden Katho­ denanschlußhalter 19a bzw. 19b kontaktiert, um den Heizstrom durch die Kathode 26 nicht kurzzuschlie­ ßen. Im Halteblech 55 ist eine Einnehmung 57 einge­ arbeitet, in welche ein mittels der Schrauben 59 leicht ersetzbarer Lochblendeneinsatz 61 formschlüs­ sig fixiert ist und damit galvanisch verbunden ist, der die Steuerelektrode bildet. Dabei ist es ohne weiteres möglich, die Steuerelektrode, sei dies durch entsprechende Montage des Halteblechs 55 oder des Einsatzes 61, isoliert vom Potential der Elek­ tronen-Emissionskathode 26 zu montieren und auf er­ wünschtes Potential zu legen.

Wie weiter aus Fig. 2 ersichtlich, in Zusammensicht mit Fig. 1, ist ein Distanzhalterblock 63 mit dem Schnittstellenblock 7 verschraubt und trägt, eben­ falls damit verschraubt, eine Anodenplatte 65 mit einer Lochblendenöffnung 64, zentriert auf die Ka­ thoden-Emissionsfläche.

Alle beschriebenen Teile des erfindungsgemäßen Strahlerzeugers sind am Grundkörper 1 in definierten Positionen formschlüssig montierbar und durch Lösen von Schraubverbindungen leicht ersetzbar. Der Steu­ erelektrodeneinsatz 61 ist, wie erwähnt, leicht ent­ fernbar und als Verschleißteil ausgebildet. Insbe­ sondere der Lochblendeneinsatz 61 wirkt als magneti­ sche Abschirmung der Elektronen-Emissionskathode 26 und als Hitzeschild.

Der Lochblendeneinsatz 61 ist dazu in Sandwichbau­ weise ausgeführt, z. B. aus Mo und FeCo. Während die Mo-Schicht als Strahlungsschutzschild bzw. Hitze­ schild wirkt, ergibt die FeCo-Schicht einen magneti­ schen "Shunt" über der Elektronen-Emissionskathode 26, um eine magnetische Streufeldbeeinflussung der Strahlbildung zu unterbinden. Zwischen den beiden Schichten ist bevorzugterweise ein die Wirkung als Hitzeschild verbessernder Zwischenraum 27 vorgese­ hen, wie aus Fig. 3 ersichtlich.

Der Distanzhalter 63 sorgt für eine gute Wärmeablei­ tung von der Anode 65 direkt zum Schnittstellenblock 7. Die Wärmeabfuhr zwischen dem erfindungsgemäßen Strahlerzeuger und dem Anlageteil 13 erfolgt über die Auflagefläche, welche mit dem Schnellverschluß- Spannbolzen 9 vorgespannt wird.

Der beschriebene erfindungsgemäße Elektronenstrahl­ erzeuger ist klein und kompakt aufgebaut und eignet sich mit dem dargestellten Schnellverschluß oder einer anderen leicht lösbaren Montagemöglichkeit ausgezeichnet, um z. B. für Revisionsarbeiten rasch ersetzt zu werden, ohne die Fertigungsanlage lange stillsetzen zu müssen.

Claims (29)

1. Elektronenstrahlerzeuger mit einer beheizten Elek­ tronen-Emissionskathode, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch isolierender Trägerkörper (1) vorgese­ hen ist, der auf einer Seite zur Montage des Erzeu­ gers in einer Anlage ausgebildet ist, auf der anderen Seite zur Aufnahme der Elektronen-Emissionskathode (26), und der, als mechanische Positionsreferenz, mit Anschlagflächen für mindestens die Emissionskathode und weitere elektronenoptisch relevante Teile des Er­ zeugers ausgebildet ist.

2. Erzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) aus Al₂O₃ besteht.

3. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) auf der einen Seite an einem metallischen Kontaktkörper (7) großflächig festgespannt ist.

4. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite des Träger­ körpers (1) mindestens ein Schnellverschlußorgan zur Schnellmontage des Erzeugers vorgesehen ist.

5. Erzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellverschlußorgan mindestens einen vor­ ragenden Bolzen mit radialer Konusbohrung umfaßt.

6. Schnellverschluß für das Verbinden eines Anlage­ teils mit einem Erzeuger nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Anlageteil eine Aufnahmebohrung für den Bolzen (9) vorgesehen ist, mit einer radialen Spannschraube mit konischer, in die Bohrung treibba­ rer Spitze, wobei die Achse der Schraube (A₁₄) bezüg­ lich der Achse der Bohrung (15) im Bolzen (9), bei eingeführtem Bolzen und vor Eintreiben der Schraube (14), versetzt ist, um durch Eintreiben der Schraube (14), über die Konusbohrung (15) am Bolzen (9) des Erzeugers, den Erzeuger am Anlageteil festzuspannen.

7. Schnellverschluß nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen-Emis­ sionskathode eine direkt durch joulsche Wärme oder eine indirekt beheizte, dann vorzugsweise eine als bauliche Einheit mit Heizorganen aufgebaute Kathode ist.

8. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Trägerkörper auf der anderen Seite zwei metallische Kathoden-Anschluß-Halteblöcke (19) vorgesehen sind.

9. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode bezüglich einer Emissionsfläche in einem beschränkten Peripheriebe­ reich montierbar ist, dabei vorzugsweise zwei im we­ sentlichen parallele Halteanschlüsse umfaßt, welche bezüglich der Kathoden-Emissionsfläche gleichseitig vorragen, und daß die Kathode an diesen beiden An­ schlüssen mechanisch gehaltert ist, damit sie sich thermisch frei ausdehnen kann.

10. Erzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Halteblöcke je eine Fixiereinrich­ tung (20, 28) für einen der Kathodenanschlüsse (32) umfassen.

11. Erzeuger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kathodenanschlüsse unterschiedlich aus­ gebildet sind, ebenso die Fixiereinrichtung, derart, daß jeweils ein Kathodenanschluß lediglich in eine der Fixiereinrichtungen einbringbar ist, um ein feh­ lersicheres Einbringen einer Kathode sicherzustellen.

12. Erzeuger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß an mindestens einer der Fixiereinrichtungen eine Anschlageinrichtung (22) vorgesehen ist, um die Emissionskathode in vorgegebene Position zu positio­ nieren.

13. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper gegen die andere Seite überkragend (18) abgedeckt ist, und vor­ zugsweise eine eine Kriechstromstrecke zwischen den beiden Seiten verlängernde, vorzugsweise umlaufende Einformung aufweist.

14. Erzeuger nach einem der Ansprüche 8 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Halteblöcke den Trägerkörper (1) überkragen und, ohne sich zu kontaktieren, formkomplementär so einander übergrei­ fend ausgebildet sind, daß, aus Richtung der anderen Trägerkörperseite betrachtet, der Trägerkörper (1) durch die Kathoden-Halteblöcke (19) vollständig abge­ deckt ist.

15. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß Stromzuleitungen (51) am Erzeuger für einen Kathoden-Heizstrom, von einer Emissionsfläche (34) der Kathode (26), eine durch diese Fläche definierte Raumfläche, vorzugsweise eine ebene, in größtmöglichem Abstand (A) schneiden.

16. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) im wesentlichen ein quaderförmiges Gebilde aufspannt und daß eine Emissionsfläche (34) der Kathode (26) im wesentlichen in der einen Ecke einer der Quaderflä­ chen liegt, und daß Heizstromzuführungen (51) für die Kathode (26) an einer diese Ecke nicht bildenden Seitenfläche des Quaders angeordnet sind.

17. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß über der Emissionskathode mindestens eine elektronen-optische Steuerelektrode (61) vorgesehen ist, welche vorzugsweise verschraubt ist.

18. Erzeuger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerelektrode in Sandwichbauweise ausgebildet ist, mit mindestens einer der Kathode zu­ gewandten ersten Schicht und einer magnetisch gut leitenden, von der Kathodenfläche abgekehrten zweiten Schicht, vorzugsweise von der ersten mindestens ab­ schnittsweise beabstandet.

19. Erzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß eine am Kontaktkörper (7) über einen metallischen Verbinder (63) montierte Ano­ de (65) über der Kathoden-Emissionsfläche (34) vorge­ sehen ist.

20. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich mit einer Kathoden- Emissionsfläche von Bereichen mit Heizstromzuführun­ gen für die Kathode durch eine Abschirmung (53) ge­ trennt ist.

21. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß Trägerkörper (1) mit Kon­ taktkörper (7) und/oder der Trägerkörper (1) mit den Kathoden-Halteblöcken (19) und/oder der Trägerkörper (1) oder einer der Kathoden-Halteblöcke (19) mit der Steuerelektrode (61) und/oder die Kathoden-Halteblöc­ ke (19) mit der Elektronen-Emissionskathode (26) formschlüssig nur in vorgegebene Positionen montier­ bar, vorzugsweise durch Schraubverbindungen montier­ bar sind.

22. Elektronenstrahl-Verdampfungseinrichtung mit ei­ nem Strahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 21.

23. Vakuum-Behandlungsanlage mit Elektronenstrahl- Verdampfer und einem Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 21.

24. Erzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß Teile am Trägerkörper (1) mittels Schraubverbindungen, vorzugsweise aus­ schließlich über Schraubverbindungen, befestigt sind, dabei im Trägerkörper hierfür keine Gewinde vorgesehen sind.

25. Indirekt beheizte Elektronen-Emissionskathodenan­ ordnung mit einer Emissionsfläche und einer davon be­ abstandeten Heizanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Heizanordnung ein Heizstromleiter, der auf­ grund des Joule-Effektes erhitzt wird, ist,
• - die Emissionsfläche mit dem Heizstromleiter als Baueinheit verbunden ist.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich­ net, daß die Emissionsfläche Stirnfläche eines Top­ fes ist, worin der Heizstromleiter angeordnet ist.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stirnfläche ersetzbar ist, wie mit der Topfwand verschraubt.

28. Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Anschluß des Heiz­ stromleiters galvanisch mit der Emissionsfläche ver­ bunden ist.

29. Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Heizstromleiter und Emissionsfläche ein gekapseltes Gas als Wärme­ leitmedium vorgesehen ist.