[发明专利]用于产生电子束的设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生电子束的设备。尤其是，利用根据本发明的设备，具有小的焦点直径和高功率密度的“纤细的”电子束可以被产生并且在真空室之内的被限定的处理位置处起作用，其中射束源和其供给组件通过紧凑的结构、便于维护和相对低的制造成本而被突出。根据本发明的电子束源的典型的工艺应用领域是通过物理气相沉积（PVD）对衬底涂层有功能层（譬如用于腐蚀防护、装饰、扩散势垒、EMV屏蔽、绝热等的层）、在真空中对金属清洁和重熔精制以及借助熔焊材料配合地接合部件。

背景技术

通过装饰性或功能薄层系统对半成品和产品的精制是表面技术的重要工作领域。在此，多样的、环境友好的且经济的物理气相沉积方法（PVD）已发现在生产工艺中大量流行，其中涂层材料在真空中首先被蒸发并且接着有时也在添加反应气体的情况下在相应的衬底上以受控方式凝结为膜。除了要沉积的层的可实现的形态学、纯度和附着之外，在各种可支配的工艺下选择合适的涂层方法的重要准则首先也是要沉积的层的生长速度以及投资需求和蒸发器的运行成本，因为该工艺的经济性决定性地与这些特征值有关。

数十年以来，不同结构形式的电子束源被用于实现工业的高速率PVD方法。电子束蒸发器在所沉积的层同时有极好的均匀性和纯度的情况下提供了技术上大规模建立的最高涂层速率，并且这也用于反应性的、铁磁的和高熔点的层材料。这些特征由通过磁聚集和射束导向无惯性地可调节的高功率通量密度以及对放出蒸气的（dampfabgebend）表面的直接加热而产生，由此可以将为了存储涂层材料所需的坩埚冷却并且因此不招致对涂层的沾污。

目前仅仅被加热到高工作温度的阴极被建立为用于工业PVD工艺的电子源，其中产生自由电子基于热电效应（GB 1 041 282 A）。也被称作“热离子阴极”的电极的工作原理引起：常规电子枪在结构上复杂地且在其电流供给装置方面相对费事地被实施，并且确定的实施形式只能覆盖范围极其有限的工艺应用。

电子束蒸发（也称作“EB-PVD”）的广泛流行的蒸发源例如是所谓的横向电子束源（也称作“横向EB枪（transverse EB gun）”），其中射束产生、磁性的270°射束偏转和具有蒸发物品的坩埚大多被集成在紧凑的功能块中。这些源是比较廉价的，然而在其最大射束功率（大约20kW）以及加速电压（大约20kV）方面以及由此也在可产生的蒸发率方面受限制。此外，实际射束源（带有加热装置的阴极）处于涂层室的压力水平上并且直接遭受处于其中的蒸汽和气体。

因此，在涂层室中的压力必须通过将真空泵的尺寸确定得相对应大而被保持到低的值上，以便避免在电子源工作时的不稳定性。在介电化合物的高速率沉积的情况下，“横向EB枪”尽管有许多结构上或电路方面的改善但不能得以实现，尤其是由于横向EB枪在这些工艺条件下不可接受地高度倾向于高电压击穿而不能得以实现，其中为了保证符合要求的化学计算，介电化合物的高速率沉积引起反应性工艺导向（Prozessfuehrung）、即在真空室之内调节反应气体的相对高的分压（大致0.1Pa至1.0Pa）。

用于EB-PVD的工艺方面更高效的射束工具是所谓的轴向电子束源（“轴向EB枪”），所述轴向电子束源被设计用于射束功率直至300kW和加速电压直至60kV（针对特殊应用也直至75kV）的蒸发方法。这样的射束源的阴极室通过具有小的、大多为圆形的用于射束穿透的开口的隔板与处理室分离并且单独地利用附加的高真空泵（在流行的借助涡轮分子泵的实施形式中）来排空，其中隔板在真空技术上用作流动阻力。由此，也还可以在涂层室中在较高的压力的情况下并且尤其是利用高比例的反应气体进行蒸发工艺。此外，在这种情况下实现了没有稳定性损失的较大的涂层速率。然而，这样的系统在所需的投资成本方面是相当昂贵的，并且因而出于经济性原因同样只可在窄的应用领域中有利地被采用。

为了克服该限制，建议了各种带有等离子体阳极的冷阴极射束源，其中电子释放并不基于热电效应，而是由大面积的金属电极的离子轰击产生。在射束源中保持的高压辉光放电在这种情况下产生离子并且使离子向阴极加速。在那里从固体弹道地转化到真空中的电子在等离子体的阴极情况下被加速，并且通过合适的电极轮廓形成为同心射束，该同心射束利用传统电子光学组件可以被聚焦并且被转向到蒸发器。