CH621714A5

CH621714A5 -

Info

Publication number: CH621714A5
Application number: CH717776A
Authority: CH
Inventors: Otto Dr Winkler
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1976-06-08
Filing date: 1976-06-08
Publication date: 1981-02-27
Also published as: US4306515A; GB1562350A; DE2714371A1; NL7608390A; FR2354392A2

Description

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine derartige Vakuumanlage so auzubilden, dass eine fast trägheitslose Aufheizung und Abkühlung der Folien möglich ist.

Die erfindungsgemässe Vakuumanlage zum Behandeln eines Gutes, insbesondere Vakuumaufdampfanlage, mit einer Behandlungskammer mit Pumpanschluss und mit Einrichtungen für die Aufnahme des Gutes und die Durchführung der gewünschten Behandlung, wobei zwischen der Innenwand der Behandlungskammer und dem zu behandelnden Gut beheizbare Folien als Zwischenwände angebracht sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Beheizung der Folien eine zwischen diesen und der Kammerwand angeordnete indirekte Heinzeinrichtung vorgesehen ist.

Am einfachsten ist es, für die Heizung in dem genannten Zwischenraum ausgespannte Heizdrähte vorzusehen. Die Beheizung kann aber auch durch eine Gasentladung im Raum zwischen der Folie und der Kammerwand mit den als Elektroden dienenden Drähten erzeugt werden. Die erfindungsge-

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mässe Lösung bietet den Vorteil, dass die den Folien pro Flächeneinheit übertragene Heizenergie leicht einem vorgegebenen Programm entsprechend eingestellt werden kann. Da die Wärmeerzeugung im Raum zwischen den Folien und den Kammerwänden erfolgt, brauchen die Einspannvorrichtungen für die Folien nicht mehr als stromübertragende Kontaktelemente ausgebildet werden, was eine wesentliche Einsparung und Vereinfachung bei der Konstruktion der Anlage bedeutet.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemässen Anlage am Beispiel einer Aufdampfanlage.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine beispielsweise Ausführung der Haltevorrichtung für die Folien und die Heizdrähte.

Mit 1 ist die evakuierbare Aufdampfkammer bezeichnet, in welcher die mit Drehantrieb versehene Kalotte 2 als Haltevorrichtung für die zu beschichtenden Gegenstände z. B. Linsen angeordnet ist. Dieser gegenüber steht eine Dampfquelle 3, z.B. ein elektrisch beheizbares Schiffchen für das Verdampfungsgut. An die Kammer 1 ist ein Pumpstand angeschlossen, der in der Zeichnung mit 4 angedeutet ist, und zwischen dem Pumpstand und der Vakuumkammer ist das ebenfalls nur schematisch gezeigte Ventil 5 vorgesehen, damit man die Kammer nach der Evakuierung gegebenenfalls absperren und z.B. ein reines Reaktionsgas einführen kann.

Die Anlage weist ferner Haltevorrichtungen 6 für auswechselbare Folien auf und im Raum zwischen diesen Folienträgern und der Kammerwand sind (im Sinne der Erfindung) als indirekte Heizeinrichtung elektrische Heizdrähte 7 angeordnet, denen der Heizstrom über (aus der Zeichnung nicht ersichtliche) vakuumdichte Stromdurchführungen zugeleitet wird. Das Traggestell für die Vakuumkammer 1 ist in der Fig. 1 mit 9 schematisch angedeutet.

Die Haltevorrichtung 6 für eine Wandseite der kubischen Aufdampfkammer kann z.B. als Stahlrahmen 11 ausgebildet sein, der aus einem U-Profil gefertigt ist und der an der Innenwand 1 der Aufdampfkammer mittels Laschen 12 befestigt werden kann. Auf der Innenseite der U-Profile sind mehrere mit Abstand voneinander angeordnete Stützen 13 für Spannfedern 14 vorgesehen und die Spannfedern 14 tragen ihrerseits die Isolatoren 15, die Einkerbungen 16 besitzen, an denen Tragringe 17 für die Heizdrähte 18 eingehängt werden können.

Am Rahmen 11 sind ferner mehrere Querstege 19 angebracht, die zusammen einen mit der Stirnfläche des Rahmens bündigen Rost zur Abstützung der Folie 20 bilden, die auf den Stegen des Rostes aufliegt. Zum Festhalten der Folien dient eine Mehrzahl von Haltemagneten 21, die auf den eisernen Rahmen 11 aufgesetzt werden, wobei die Folien zwischen den Haltemagneten und der Stirnfläche des Rahmens eingeklemmt sind.

Ähnlich wie vorstehend für eine Kammerwand beschrieben, können ähnliche den übrigen Kammerwänden und etwaigen Einbauten (wie z. B. der Trägerkalotte) bezüglich ihrer Form angepasste weitere Folienhaltevorrichtungen angeordnet werden. Ausser den eigentlichen Kammerwänden kann mit Vorteil auch die Absaugöffnung gegen das Eindringen von Schmutzteilchen und bei Aufdampfanlagen auch von Verdampfungsmaterial geschützt werden. Eine solche Abschirmung der Evakuierungsöffnung ist z.B. aus Fig. 1 ersichtlich.

Vorzugsweise werden Folien mit einer Dicke von Vi0 mm oder noch weniger verwendet. Für die Entgasung genügen Temperaturen von etwa 400° C, wofür billige Aluminiumfolien oder für höhere Temperaturen Stahlfolien verwendet werden können. Nach mehrmaligem Gebrauch werden die durch die vorangehenden Prozesse bereits mit einer dickeren Schicht belegten Folien durch neue ersetzt. Dies ergibt eine sehr rationelle Arbeitsweise im Gegensatz zu dem bisher üblichen häufigen Reinigen der Anlage.

In manchen Fällen ist eine höhere Temperatur der Substrate während der Bedampfung erwünscht, z. B. um eine bessere Haftfestigkeit von Aufdampfschichten zu erzielen. In diesem Falle Iässt sich die erfindungsgemässe Anlage vorteilhaft dazu verwenden, um auch während der Bedampfung die Wände der Bedampfungskammer durch eine passend eingestellte Heizleistung allseits auf gleicher Temperatur zu halten. Man vermeidet dadurch Temperaturgradienten in den zu beschichtenden Unterlagen, womit auch die etwaige Gefahr des Verziehens oder Zerspringens dieser Unterlagen (z. B. Linsen) infolge ungleichmässiger Erwärmung wesentlich reduziert wird. Ausserdem besitzen in diesem Anwendungsfall auch die auf den Folien bei höherer Temperatur niedergeschlagenen Schichten eine bessere Haftfestigkeit, so dass sie beim Abkühlen und Wiedererwärmen weniger zum Abplatzen neigen und man daher dickere Schichten aufwachsen lassen kann, bevor man die Folien wieder erneuern muss.

Da die Masse des Widerstandsdrahtes bei Verwendung eines hochbelastbaren Heizleiters - wie z. B. Molybdän oder Titan - sehr gering sein kann, ist es mit dieser Anordnung möglich, die Folie in wenigen Sekunden aufzuheizen und wieder abzukühlen.

Die indirekte Heizung mit an Isolatoren befestigem Widerstandsdraht ermöglicht noch eine weitere Vervollkommnung des Pumpprozesses. Es ergibt sich nämlich die Möglichkeit, auch die Entgasung der Kammerwand zu aktivieren. Bei der kurzzeitigen Beheizung der Folie bleibt die Temperatur der Kammerwand praktisch unverändert und ihre Abgasrate wird deshalb nicht beeinflusst. Obwohl der ursprünglich saubere Oberflächenzustand wegen der Folienabdeckung sich im Laufe der Zeit nur langsam verschlechtert, ist die Gasabgabe doch nicht vernachlässigbar. Auch im sauberen Zustand adsorbiert die Kammerwand ebenfalls eine wenn auch im Vergleich zur bedampften Folie kleinere Menge Gase - insbesondere Wasserdampf - bei jeder Öffnung der Anlage. Die langsame De-sorption dieser Gase fällt für die Pumpzeit umso mehr ins Gewicht, je vollkommener die Entgasung der Folien ist. Es kann deshalb eine weitere wesentliche Verkürzung der Pumpzeit erreicht werden, wenn es gelingt, auch die Desorption der Gase von der Kammerwand zu beschleunigen. Dies ist möglich, wenn man den Drahtwiderstand als Elektrode zur Erzeugung einer Gasentladung im Zwischenraum der Folienabdek-kung und der Kammerwand verwendet. Diese Gasentladung wird besonders wirksam, wenn der Widerstandsdraht als Anode geschaltet wird und die Kammerwand somit einer Kathodenzerstäubung unterworfen wird.

Bei Bedampfungsanlagen war es zwar schon üblich, zur Konditionierung der Substrate eine Gasentladung zu verwenden. Dabei bildete jedoch die Kammerwand in der Regel die Anode, weil sonst eine Verunreinigung der Substratoberfläche zu befürchten ist. Wenn dagegen die Kammerwand vollständig abgedeckt wird, tritt dieser störende Effekt nicht ein. Zur Aktivierung der Desorption an der Kammerwand genügt es bereits, den Widerstandsdraht an eine hohe Wechselspannung anzulegen.

Wenn die elektrische Leistung der Gasentladung genügend hoch ist, tritt auch eine Erwärmung der Abdeckfolie ein, die unter Umständen für ihre Entgasung bereits hinreichend sein kann. In diesem Falle ist die ohmische Belastung des Widerstandsdrahtes - falls man sie nicht zur Erzeugung einer unselbständigen Entladung mit heranziehen will — überflüssig, und die Reinigungsprozedur beschränkt sich dann auf die Gasentladung.

Wird als Widerstands- bzw. Elektrodenmaterial ein hochschmelzendes Material mit Gettereigenschafte, wie z. B. Titan, verwendet, so kann durch Aufheizen auf die Sublimationstemperatur oder durch Zerstäuben dieses Materials, eventuell beschränkt auf geeignete ausgewählte Bereiche, z. B. in einer

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Bedampfungsanlage oberhalb der Kalotte, noch eine zusätzliche Pumpwirkung erzeugt werden. Diese Massnahme ist dann sinnvoll und wirksam, wenn man bei sehr tiefen Drucken unter 10"* mbar arbeiten möchte. Auf diese Weise ist also zumindest bei tiefen Drücken eine weitere Verkürzung der Pumpzeit möglich.

Die Vorteile dieser neuen Lösung können natürlich nicht nur bei Bedampfungsanlagen sondern auch bei anderen Vakuumprozessen, bei denen eine Pumpzeitverkürzung nützlich ist und durch die Desorption von Wänden bestimmt wird, angewendet werden, z. B. bei Vakuumanlagen zur Wärmebehand-s lung von reaktiven Metallen, bei der besonders niedrige Was-serdampfpartialdrücke gefordert werden und generell bei der Erzeugung von UHV.

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1 Blatt Zeichnungen

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621 714 PATENTANSPRÜCHE

1. Vakuumanlage zum Behandeln eines Gutes, insbesondere Vakuumaufdampfanlage, mit einer Behandlungskammer mit Pumpanschluss und mit Einrichtungen für die Aufnahme des Gutes und die Durchführung der gewünschten Behandlung, wobei zwischen der Innenwand der Behandlungskammer und dem zu behandelnden Gut beheizbare Folien als Zwischenwände angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beheizung der Folien eine zwischen diesen und der Kammerwand angeordnete indirekte Heizeinrichtung vorgesehen ist.

2. Vakuumanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizeinrichtung im Zwischenraum zwischen Folie und Kammerwand ausgespannte, durch elektrischen Stromdurchgang beheizbare Drähte vorgesehen sind.

3. Vakuumanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beheizung mittels elektrischer Gasentladung im Zwischenraum zwischen Folie und Kammerwand ausgespannte Drähte als Gasentladungselektrode vorgesehen sind.

4. Vakuumanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Drähte aus einem Getterma-terial bestehen.

5. Vakuumanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Drähte als Anode schaltbar sind.

Es ist bekannt, dass in Vakuumanlagen die Pumpzeit eine Funktion der Beladung der Wand und der Einbauten mit H20 ist, und dass diese Beladung ausser vom Feuchtigkeitsgehalt der mit den Oberflächen in Kontakt kommenden Umgebungsluft und der Temperatur der Oberflächen besonders von dem Verschmutzungsgrad, d.h. von der Grösse der realen Oberfläche der Innenwände der Anlage abhängig ist.

Man hat vorgeschlagen, die H20-Desorption zu erleichtern, indem die Wände des Rezipienten vor Einlass von Luft erwärmt und auch beim Abpumpen auf erhöhter Temperatur gehalten werden. Besonders bei UHV-Anlagen ist ein Ausheizen bei relativ hohen Temperaturen notwendig, um die geforderten niedrigen Enddrücke erreichen zu können. Anderseits soll bei der Durchführung eines Vakuumprozesses die Wandtemperatur meist niedrig sein, um eine Gasabgabe der Wand während des Prozesses zu unterbinden.

Zum Beispiel ist es beim reaktiven Aufdampfen von dünnen Schichten in einer Sauerstoffatmosphäre zur Erzielung optischer Absorptionsfreiheit der aufgedampften Schichten wichtig, dass der Partialdruck von Wasserdampf und Kohlewasserstoffen während der Kondensation der Schichten möglichst niedrig bleibt; andernfalls muss, um eine hinreichende Oxydation zu erzielen, der Sauerstoffpartialdruck auf so hohe Werte gebracht werden, dass durch Streuung der Moleküle des verdampften Materials in der Gasatmosphäre und durch Gaseinbau in den Schichten Nachteile (vor allem ungenügende Härte und Haftfestigkeit) auftreten.

Bei den meisten Vakuumverfahren sind dem Temperaturintervall zwischen Ausheizung und Abkühlung Grenzen gesetzt, einerseits weil damit auch die Temperatur des zu behandelnden Gutes beeinflusst wird, anderseits weil die Zyklus-Zeiten bei grösseren Temperaturintervallen so lang werden, dass die Durchsatzgeschwindigkeit und damit die Wirtschaftlichkeit verringert werden. Auch wäre im Hinblick auf die grosse Wärmekapazität der Kammerwand ein zu hoher Energieaufwand erforderlich. Man behilft sich daher damit, dass man die Anlage von Zeit zu Zeit reinigt, sobald die Pumpzeit für den geforderten Enddruck zu lang wird bzw. die Qualität der Schichten sich zu verschlechtern beginnt.

Es ist bekannt, die Innenwände einer Vakuumkammer beheizbar auszubilden, um sie unter Vakuum entgasen zu können. Wenn diese Entgasung in einem besonderen Arbeitsgang durchgeführt wird, was zeitraubend ist, dann muss die Kammer zwecks nachfolgender Beschickung mit dem zu behandelnden Gut nocheinmal geöffnet werden, womit die Gefahr einer erneuten Adsorption von H20 infolge feuchter Umgebungsluft verbunden ist. Wird anderseits die Aufheizung der Wände zwecks Entgasung vor dem beabsichtigten Prozess durchgeführt, während sich das Gut bereits im Rezipienten befindet, dann ist eine Miterwärmung unvermeidlich. Dies ist aber in vielen Fällen nicht zulässig, z.B. bei empfindlichen optischen Gläsern, die mit dünnen Schichten bedampft werden sollen. Mindestens müsste man sich dann auf niedrige Temperaturen, z. B. 100° C beschränken, welche aber für die Entgasung kaum wirksam sind.

Es ist schon ein Weg vorgeschlagen worden, um eine Vakuumanlage zum Behandeln eines Gutes so auszubilden, dass die Wände auch nach längerem Gebrauch während eines Prozesses weitgehend von adsorbiertem Wasserdampf freigehalten werden können, ohne dass man gezwungen ist, das zu behandelnde Gut mitzuerhitzen oder erst nach Wiederabkühlen der Wände in die Behandlungskammer einzubringen. Damit wird gleichzeitig erreicht, dass (ohne die Notwendigkeit einer jedesmaligen Reinigung) der gewünschte Prozess von einem vakuumtechnischen Zustand ausgehend durchgeführt werden kann, wie er sonst nur bei einer frischgereinigten Anlage gegeben ist, wobei durch kürzere Pumpzeiten eine erhöhte Wirtschaftlichkeit des Betriebes erzielt wird.

Bei einer solchen Vakuumanlage sind zwischen der Innenwand der Behandlungskammer und dem zu behandelnden Gut beheizbare Folien als Zwischenwände angebracht. Dabei empfiehlt es sich, alle Stellen, die von den Bedampfungsquellen aus sichtbar sind, durch beheizbare Folien abzudecken. Zum Zwecke der Desorption des Wasserdampfes werden die Folien geheizt. Es ist möglich, die Folien kurzzeitig auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der alle adsorbierten Gase, nicht bloss H20, nahezu quantitativ enfernt werden. Durch die Verwendung von dünnen Folien geringer Wärmeträgheit, denen die gewünschte Temperatur nach der Vorevakuierung der Anlage aufgezwungen wird, und die sich sehr rasch aufheizen lassen und die anschliessend schnell wieder auf eine niedrigere Gleichgewichtstemperatur abfallen, wird erreicht, dass die Wärmebelastung des Gutes vernachlässigbar klein bleibt und die Entgasung vollständig und weitgehend unabhängig von der Dicke der durch vorangehende Prozesse auf den Folien bereits niedergeschlagenen Schichten ist. Nach jedem derartigen kurzzeitigen Aufheizvorgang erreicht man damit den Zustand einer frisch gereinigten Anlage mit entsprechend kurzer Pumpzeit.