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Verfahren zum Aufdampfen von Stoffen
Verfahren zum Auftragen von Stoffen auf Unterlagen, wobei diese Stoffe verdampft und auf die Un- terlagen niedergeschlagen werden, haben in den letzten Jahrzehnten weitgehende Verbreitung gefunden.
Im einfachsten und wohl am häufigsten angewendeten Fall besteht dieses Auftragen darin, dass der niederzuschlagende Stoff thermisch verdampft und auf der zu belegenden Unterlage kondensiert wird, die t eine Temperatur unterhalb jener des Schmelzpunktes des aufzutragenden Stoffes hat. Das Verfahren wird im allgemeinen unter vermindertem Druck ausgeführt. Die wesentlichen Nachteile dieses bekannten Auf- dampfverfahrens bestehen darin, dass es in seiner Anwendung naturgemäss auf verhältnismässig leicht ver- dampfbare Stoffe beschränkt ist, die zudem gegen Verunreinigungen aus der umgebenden Atmosphäre und durch das verwendete Tiegel- bzw. Halterungsmaterial nicht allzu empfindlich sein dürfen und die schliesslich keiner thermischen Zersetzung bei den angewendeten Temperaturen unterliegen. So ist z.
B. wegen der erwähnten Verunreinigung durch das Tiegelmaterial die Aufdampfung von Platin nach diesem
Verfahren schon schwierig. Bei der Verdampfung aus Metall- oder aus Kohleschiffchen treten überdies
Schwierigkeiten durch Legierungsbildung zwischen dem Trägermaterial und dem zu verdampfenden Stoff auf. Die Herstellung möglichst hoher Vakua vermag die geschilderten Nachteile nur zum Teil zu besei- tigen oder zu vermindern.
Eine Ergänzung bzw. Verbesserung dieser thermischen Aufdampfverfahren stellen jene Methoden dar, bei welchen die Überführung der aufzutragenden Stoffe mittels Kathodenzerstäubung oder Elektronen- bombardement erfolgt. Durch diese Verfahren werden zunächst auch sehr schwer verdampfbare Stoffe als
Auftragungsmaterial zugänglich, anderseits fällt die Möglichkeit des unerwünschten Reagierens der aufzu- tragenden Stoffe mit den Trägermaterialien weg.
Im Prinzip dieser Methoden begründet Vorteile bestehen darin, dass sie wärmeökonomisch äusserst günstig arbeiten, u. zw. deswegen, weil sie die Konzentrierung der Energiezufuhr an jenen Punkten ge- statten, von denen ausgehend die Verdampfung erfolgen soll. Dies führt weiter dazu, dass die Strahlungs- belastung der Umgebung (z. B. der zu überziehenden Unterlagen) auf, ein geringes Mass herabgesetzt wird.
Aber auch diese letztgenannten Verfahren weisen Nachteile auf, so z. B. die Notwendigkeit der Bün- delung von Strahlen, deren Durchführung in dem unter vermindertem Druck stehenden Aufdampfungsraum mit beträchtlichen konstruktiven Schwierigkeiten verbunden ist, weiters die Möglichkeit der Verunreini- gung der Aufdampfunterlage durch das Kathodenmaterial bzw. die dadurch hervorgebrachte Verunreini- gung der aufgedampften Schicht.
Aus der deutschen Patentschrift Nr. 915765 ist schliesslich ein Verfahren bekanntgeworden, wel- ches-soweit sich. den spärlichen Angaben dieser Literaturstelle entnehmen lässt - eine Funkenentladung ähnlich der in der Funkenspektralanalyse angewendeten darstellt.
Wie bei der Kathodenzerstäubung funktioniert ein derartiges Verfahren nicht bis hinunter zu ganz tie- fen Drucken, da bei derartigen Verfahren die Bildung eines lonenkanals als Wegstrecke für den Funken, somit das Vorhandensein einer Restatmosphäre unbedingt erforderlich ist. Überdies sind bei derartigen - Verfahren weder die Funkenbildung noch die Spannung kontinuierlich regelbar.
Gegenüber dem vorstehend skizzierten Stand der Technik geht die Erfindung einen prinzipiell neuen
Weg. Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass zwei oder mehrfach je zwei unter Spannung stehende Elektroden aus dem aufzudampfenden Material bzw. den aufzudampfenden Materialien in einem unter vermindertem Druck stehenden Raum soweit genähert werden, dass eine Feldemission einsetzt.
Den
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Vorgang hat man sich dabei etwa so vorzustellen (ohne dass die nachfolgend gegebene Erklärung, ebenso wie die Bezeichnung des auftretenden Effektes als"Feldemission"Anspruch auf Richtigkeit oder Vollständigkeit erhebt, obgleich die gegebene Erklärung und die verwendeten Bezeichnungen durch eine Reihe von Versuchen erhärtet erscheinen) : Ausgehend von immer vorhandenen kleinsten Oberf1ächenunregelmässig- keiten (Spitzen usw.) des Elektrodenmaterials setzt bei entsprechender Annäherung der Elektroden aneinander eine Entladung ein, bei welcher in kürzesten, nur Mikrosekunden währenden Zeiträumen enorme Stromdichten (da der Strom auf kleinste Flächenelemente konzentriert ist) auftreten. Dadurch findet eine Verdampfung des Elektrodenmaterials statt, wobei die Stärke dieser Entladung z.
B. durch parallel oder hintereinander geschaltete Kondensatoren gesteuert wird. Würde man die Entladung nicht in dieser Weise durch Einschaltung von Kondensatoren o. ä. regeln, so käme es zu Kurzschlüssen, zum Verschweissen der Elektroden, es könnte mit einem Wort der Vorgang nicht mehr beherrscht werden.
Bei Verwendung von Kondensatoren erfolgt deren Aufladung über einen Widerstand, der in bekannter Weise gespeist wird. Ausser durch die Kondensatoren kann die Entladung auch durch entsprechende Bemessung der Intervalle zwischen den Entladungen, also durch Steuerung von deren Frequenz, durch Festlegung des Abstandes zwischen den an sich beliebig gestalteten Elektroden geregelt und gesteuert werden.
Die Annäherung der Elektroden kann auf mechanische Weise oder gekoppelt mit der Aufladung des Kondensators usw. erfolgen. Die Registrierung und Festlegung bzw. Vorbestimmung der Entladungen kann in elektrotechnisch bekannter Weise geschehen.
Wenn auch erfindungsgemäss vorzugsweise unter möglichst hohem Vakuum gearbeitet wird, ist es auch möglich, verminderte Drucke in der Grössenordnung von nur etwa 10-2 bis zu einigen Millimetern anzuwenden, besonders dann, wenn gemäss einer Ausführungsform der Erfindung die Entladung in einer Atmosphäre verminderten Druckes stattfinden soll, von der mindestens ein Bestandteil gegebenenfalls eine Komponente der aufzubringenden Schichtzusammensetzung bilden soll. Wenn diese Komponente nichtmetallischer Art ist und vorzugsweise mit der aus dem Elektrodenmaterial stammenden Komponente beim Aufdampfen eine Verbindung bildet, ist es nach dem erfindungsgemässen Verfahren auch möglich, nichtmetallische Stoffe auf Unterlagen aufzutragen, obgleich die Elektroden natürlich nur aus leitenden oder halbleitenden Stoffen bestehen können.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren verdampften Teilchen haben an sich, da die Entladung und Verdampfung vorzugsweise im hohen Vakuum erfolgen, eine verhältnismässig grosse Reichweite (freie Weglänge), so dass sie ohne weiteres zum zu bedampfenden Objekt gelangen können, zumal letzteres, auch wenn es thermisch sehr empfindlich ist, in unmittelbarer Nähe des Verdampfungsortes angebracht sein kann, da die Erhitzung zeitlich und örtlich eng begrenzt erfolgt und unerwünschte Wärmewirkungen in wesentlich geringerem Masse auftreten als bei bekannten Verfahren. Dieser Umstand fördert anderseits wiederum, wie leicht einzusehen, die Verdampfung, da ein besseres Vakuum gehalten werden kann. Das Aufbringen der Teilchen kann im übrigen in bekannter Weise über Blenden usw. durchgeführt werden (Strahlbegrenzung).
Gewünschtenfalls können die Teilchen durch Anlegung eines zusätzlichen Feldes orientiert bzw. abgesaugt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht allein auf jene leitenden und halbleitenden Stoffe (als Elek- trodenmaterial) anwendbar, die nach den bekannten Aufdampfverfahren abgeschieden werden können, sondern auch auf jene Stoffe, auf welche sich diese Auftragungsarten, sei es wegen des hohen Siedepunktes, der Empfindlichkeit gegen Verunreinigungen usw. bis jetzt nicht in brauchbarer Weise anwenden lassen, wie z. B. für W, Ta, Nb (wegen der hohen Siedepunkte), Ir, Pt, Ni (wegen der Gefahr der Verunreinigungen bzw. von Legierungsbildung). Es ist klar, dass die beschriebenen Verfahren verschiedene Abänderungen zulassen, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
Das Aufdampfen von Verbindungen, wobei deren eine (gewöhnlich nichtmetallische) Komponente aus der umgebenden Atmosphäre verminderten Druckes stammt, wurde bereits erwähnt.
So können z. B. Schichten aus Si02 oder tir, dadurch erzeugt werden, dass eine Entladung zwischen Elektroden aus Si bzw. Ti in einer Atmosphäre verminderten Druckes, welche geringe Mengen Sauerstoff enthält, herbeigeführt wird. Weiters ist es möglich, Misch-oder Wechselschichten durch gleichzeitige bzw. aufeinanderfolgende Verdampfung verschiedener Elektrodenmaterialien herzustellen, z. B. in der Weise, dass man in einem Aufdampfungsraum Entladungsvorgänge gleichzeitig oder aufeinanderfolgend ablaufen lässt, wobei die'Elektroden bzw. Elektrodenpaare untereinander gleiche oder verschiedene Zusammensetzung haben können.
Besteht das Elektrodenmaterial selbst nicht aus chemisch einheitlichen Substanzen sondern aus Verbindungen, so kann infolge der beim erfindungsgemässen Entladungsvorgang auftretenden grossen lokalen Energiekonzentration eine Zerlegung der Verbindung eintreten. In der aufgedampften Schicht liegen aber
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dann die Komponenten dieser Verbindung jedenfalls in stöchiometrischen Mengenverhältnissen vor, was oft unmittelbar erwünscht ist ; anderseits gelingt es durch verschiedene Massnahmen, die ursprüngliche Verbindung auf der Trägerunterlage wiederherzustellen, z. B. durch Anregung mittels Elektronenstrahlung.
Es sei noch erwähnt, dass es nicht sicher feststeht, welche der Elektroden bei dem erfindungsgemäss ausgenützten Feldemissionsphänomen durch die Entladung stärker angegriffen wird. Ergebnisse von diesbezüglichen Versuchen weisen darauf hin, dass es die Kathode sein dürfte.
Was die Möglichkeiten der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens betrifft, so ergeben sich diese bereits aus den vorstehenden Ausführungen. Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich somit für alle jene Zwecke anwenden, denen die bekannten Aufdampfverfahren dienen und macht zusätzlich neue Materialien der Aufbringungsart durch Aufdampfung zugänglich, die bisher aus den vorstehend dargelegten Gründen nicht oder nur unvollkommen auf diese Weise abgeschieden werden konnten. Die metallischen oder nichtmetallischen aufgedampften Schichten können z. B. für optische und elektronenoptische Zwecke, als Vergütungs- oder korrosionsschutzschichten, für dekorative Zwecke usw. dienen.
Die Möglichkeit, dass die von den Elektroden verdampften Teilchen mit Bestandteilen der umgebenden Atmosphäre verminderten Druckes reagieren können, eröffnet die Möglichkeit einer besonders interessanten Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens, indem dieses die Funktion einer Ionenpumpe übernimmt. Die aufgezählten Anwendungsmöglichkeiten sind natürlich nur beispielsweise und weiter fortsetzbar.
Im folgenden seien einige Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens beispielsweise angegeben :
1. Verfahren mit zwei gleichen Elektroden und Kondensatoranordnung (Fig. l).
Die Bewegung derElektrodeE2 erfolgt periodisch hin-und hergehend, abgestimmt mit dem Auf- und Entladungsprozess des Kondensatorkreises (C, Rg). Diese Pendelbewegung der Elektrode wird z. B. erreicht durch ein Schubkurbelgetriebe. Die Elektroden werden einander soweit genähert, bis Feldemission und Verdampfung einsetzt. A = Auffänger für das Verdampfungsgut. Gl bedeutet eine Gleichspannungsquelle von einigen 1000 V ; Leistung je nach Verwendungszweck und Aufdampfdauer.
2. Statt einem Schl1bkurbelgetriebe kann auch eine Anordnung Verwendung finden, welche federnde Elektrodenhalter (H) benützt, die durch ein in bestimmter Weise geformtes rotierendes Distanzstück (D) in Bewegung gesetzt werden (Fig. 2).
3. Die Verwendung von Gleichspannung und eines Kondensatorkreises ist nur eine Möglichkeit zur Erzielung der Feldemission. Ein anderes Verfahren ergibt sich bei Anwendung einer hochfrequenten Wechselspannung. Diese HF-Spannung wird an die Elektroden gelegt und diese einander einmal soweit genähert, bis die Feldstärke zur Zündung durch Feldemission ausreicht. Dann verdampft das Material an den Mikrospitzen, in denen eine grosse Stromdichte herrscht. Eine dauernde Pendelbewegung der Elektroden ist überflüssig. Durch Form und Abstand der Elektroden, sowie durch die zugeführte HF-Energie kann die Intensität der Verdampfung geregelt werden (Fig. 3). S = HF - Sender.
4. Herstellung von Mischschichten (Fig. 4).
Diese erfolgt z. B. durch Verwendung von zwei Elektroden aus verschiedenem Stoff. So kann man beispielsweise eine Schicht aus Platin-Iridium dadurch herstellen, dass man die Elektrode E, aus Platin und E2 aus Iridium macht. Am Auffänger A kondensiert sich dann eine Mischschicht.
5. Die Mischschichten können auch auf andere Weise erzeugt werden : Man benützt dazu zwei Elektrodenpaare gleichzeitig in Rezipienten. Hiebei besteht z. B. das Elektrodenpaar EI aus Platin, das Elektrodenpaar EU aus Kohlenstoff, womit bei gleichzeitigem Betrieb eine Mischschicht gewünschter Zusammensetzung hergestellt wird. Wechselschichten bekommt man durch zeitlich hintereinander erfolgenden Betrieb der Elektrodenpaare EI und En (Fig. 5).
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Elektrodenpaare Verwendung finden, um eine höhere Anzahl von Komponenten in den Misch- bzw. Wechselschichten zu haben.
6. Eine andere Erzeugung von Mischschichten (Verbindungen oder Gemengen) erfolgt ausser durch Verwendung von Elektroden aus den betreffenden Verbindungen oder Gemengen mittels der besprochenen Entladung zwischen Elektroden, die als Komponenten in die Mischung eingehen, in einer Gasatmosphäre (Rezipient R Fig. 6), die die andere (n) Komponente (n) der Mischung enthält. So kann z. B. eil1ePlatin- Kohlenstoffschicht niedergeschlagen werden, indem man Elektroden aus Platin nimmt und die Entladung in einer Azethylen-Atmosphäre verminderten Druckes (10-5 ; 10- : 2 Torr) zündet (Fig. 6).
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