CH654596A5

CH654596A5 - Verdampferzelle.

Info

Publication number: CH654596A5
Application number: CH4848/83A
Authority: CH
Inventors: Juergen Dr Koprio
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1983-09-05
Filing date: 1983-09-05
Publication date: 1986-02-28
Also published as: GB2146046A; DE3414669C2; NL8402493A; FR2551458B1; US4565158A; JPS6056065A; DE3414669A1; GB2146046B; FR2551458A1; GB8419073D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdampferzelle für die Vakuumaufdampfung von dünnen Schichten auf Unterlagen mit einer mittels eines mechanischen Elementes beeinflussbaren Dampfaustrittsöffnung zur Steuerung der Dampfabgabe. Unter Verdampferzelle im Sinne dieser Erfindungsbeschreibung sind als geschlossene Behälter ausgebildete Verdampfer zu verstehen, bei denen der Dampf durch eine oder mehrere Öffnungen in der Wand des Behälters hindurch austritt.

Es sind Dampfquellen mit darüber angeordneten beweglichen Blenden bekannt, mit denen der Dampfstrom an- und abgeschaltet werden kann. Damit ist es möglich, die Bedamp-fungszeit den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen, nicht aber die Dampfabgabe der Quelle selbst zu verändern.

Bekannt ist auch eine Anordnung zur Steuerung der Bedampfungsgeschwindigkeit beim Bedampfen von Bändern, bei der zwischen der Dampfquelle und dem laufenden Band verstellbare Blenden vorgesehen sind, mittels deren die Grösse des aus dem Dampfstrahl ausgesetzten Bandabschnittes und damit die Zeit, während welcher jede Stelle des vorbeilaufenden Bandes der Bedampfung unterliegt, eingestellt werden kann. Auch bei dieser bekannten Anordnung wird also nicht die Dampfabgabe der Quelle geregelt, sondern nur die Bedampfungszeit jeder Stelle des Bandes.

Für die Verdampfung von Substanzen, die beim Aufschmelzen zum Spritzen neigen, werden in der Vakuumverdampfungstechnik auch Dampfquellen verwendet, die im • wesentlichen als geschlossene, einen Wandteil mit Dampfaustrittsöffnungen (Sieb) aufweisende Behälter ausgebildet sind. Durch die geschlossene Wand werden die Spritzer grösstenteils daran gehindert, auf die zu beschichtenden Substrate zu gelangen. Um auch noch diejenigen Spritzer abzufangen, die durch die Dampfaustrittsöffnungen hindurch in den Aufdampfraum gelangen könnten, wurde vorgeschlagen, diese Öffnungen mit einer zusätzlichen Abschirmung abzudecken, die ebenfalls Öffnungen für den Dampfdurchtritt aufweist, die jedoch gegenüber den Öffnungen in der Behälterwand so versetzt sind, dass die gerade Sichtverbindung zwischen der verdampfenden Substanz und den Substraten unterbrochen ist.

Als Dampfquellen für Vakuumbedampfungsanlagen sind auch sogenannte Effusionszellen bekannt, wobei die zu verdampfende Substanz in einem geschlossenen Behälter erhitzt wird und der Dampfaustritt durch eine Öffnung in der Behälterwand erfolgt, deren Durchmesser klein ist im Verhältnis zur mittleren freien Weglänge des Dampfes im Bereich der Austrittsöffnung.

In den letzten Jahren wurden auch zunehmend leistungsfähigere Verdampfer mit grossen Verdampfungsgeschwindigkeiten entwickelt, um das Aufbringen von Schichten wirtschaftlicher durchführen zu können. Es zeigt sich aber, dass die mit solchen Verdampfern an sich erreichbaren hohen Verdampfungsgeschwindigkeiten oft gar nicht ausgenutzt werden können, weil ihre thermische Trägheit zu gross ist. Z.B. tritt bei der Aufbringung von Schichten aus Stoffgemischen,

wobei die einzelnen Komponenten aus zwei oder mehreren getrennten Verdampfern abgedampft werden, und wenn dabei die Zusammensetzung der Schicht senkrecht zur Schichtoberfläche nach einem vorgeschriebenen Programm sich ändern soll, das Problem auf, dass bei zu hohen Verdampfungsgeschwindigkeiten das Mischungsverhältnis nicht schnell genug geändert werden kann. Die auf thermischem Wege mittels der dem Verdampfer zugeführten Heizleistung mögliche Einstellung der Verdampfungs- und damit Beschichtungsgeschwindigkeit führt zu Zeitkonstanten in der Grössenordnung von 10 bis 60 Sekunden und ist damit für eine wirtschaftliche Fertigung viel zu langsam. Die Verdampfungsgeschwindigkeit sollte vielmehr mit wesentlich kleineren Zeitkonstanten so eingestellt werden können, dass sie den jeweiligen Erfordernissen des gerade durchzuführenden Beschichtungsprozesses entspricht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verdampferzelle zu schaffen, bei der eine schnelle mechanische Steuerung der Dampfabgabe möglich ist.

Diese Erfindungsaufgabe wird gelöst durch eine Verdampferzelle für die Vakuumaufdampfung von dünnen Schichten auf Unterlagen mit einer mittels eines mechanischen Elementes beeinflussbaren Dampfaustrittsöffnung zur Steuerung der Dampfabgabe, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das mechanische Element als im Innern der Zelle angeordneter verschiebbarer Stopfen für die Dampfaustrittsöffnung ausgebildet ist.

Die Anordnung des besagten mechanischen Elementes zur Regelung der Dampfabgabe im Innern der Zelle erbringt den grossen Vorteil, dass seine Temperatur während der Verdampfung zwangsläufig genügend hoch ist, um eine Kondensation des Dampfes am Stopfen zu verhindern, womit die Gefahr, dass der Dampfaustritt infolge von Kondensation am Stopfen nicht mehr sauber gesteuert werden kann oder gar eine Blockierung des beweglichen mechanischen Elementes eintritt, wesentlich reduziert wird. Ausserdem kommt die dem Stopfen im Innern der Zelle zugeführte Heizenergie weitgehend auch dem Verdampfungsvorgang zugute.

Bei einer besonders bewährten Konstruktion einer Verdampferzelle gemäss Erfindung ist der Stopfen hohl ausgebildet und im Innern des Stopfens eine elektrische Widerstandsheizung vorgesehen. Bei manchen Verdampfungsmaterialien ist es auch möglich, die Heizung des Stopfens als die einzige Heizung für den Verdampfungsvorgang zu benutzen. Umgekehrt ist es möglich, den Stopfen nicht separat zu beheizen, sondern ihn nur von der Schmelze her, für die eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, zu erwärmen. Jedenfalls ist in allen Fällen leicht erreichbar, dass der Stopfen an seiner Stirnseite im Bereich der Dampfaustrittsöffnung die gleiche oder je nach Konstruktion sogar eine höhere Temperatur aufweist als für die Verdampfung erforderlich ist, was die Betriebssicherheit der Vorrichtung gegenüber allen schon vorgeschlagenen anderen Konstruktionen von Verdampferzellen wesentlich erhöht.

Die anliegende Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Darin haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:

2

5

to

15

20

25

30

35

40

45

50

53

bO

65

3

654 596

1 Tiegel, z.B. aus Quarz;

2 darin befindliches zu verdampfendes Material ;

3 die Tiegelöffnung verschliessender Deckel, so dass ein im wesentlichen geschlossener Verdampfungsbehälter gebildet wird ;

4 Dampfaustrittsöffnung im Deckel 3 ;

5 elektrische Heizwendel mit Stromzuführungen 6 und 7 zur Beheizung des Tiegels 1 ;

8 in axialer (vertikaler) Richtung verschiebbarer hohler Stopfen zur Regelung der Dampfabgabe durch die Dampfaustrittsöffnung 4;

9 Heizwendel mit Stromzuführungen 10 und 11 zur Beheizung des Stopfens 8;

12/13Gemeinsame hintereinanderliegende (und daher in der Zeichnung nicht getrennt sichtbare) Anschlussklemmen für die Stromzuführungen 6/7 und 10/11 ;

14 Gehäuse;

15 zylindrische Strahlenschutzbleche z.B. aus Molybdän oder Tantal;

16 scheibenförmige Strahlenschutzbleche;

17 Schiebedurchführung des Stopfens 8 durch den Boden des Tiegels 1 ;

18 Öffnung zur Durchführung des Stopfens 8 durch das Gehäuse 14;

19 Bügel zur Halterung der Verdampferzelle und Anschlussleitungen ;

20 Feder, welche den Stopfen 8 in Schliessposition zu drücken sucht;

21 Hebel - gelagert bei 22 - zum Heben und Senken des Stopfens 8;

23 am Stopfen seitlich befestigte Zapfen, an denen der Hebel 21 angreift;

24 Hubstange zur Betätigung des Hebels 21

25 vakuumdichte Durchführung der Hubstange 24 durch die Wand 26 der Vakuumkammer

27 Kühlmittelleitungen zur Kühlung der Wand 26

28 Keramisches Röhrchen zur evtl. Einführung eines Thermoelementes ;

29 Keramische Stützrohre für den Tiegel.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel kann durch Betätigung des Hebels 21 mittels der Hubstange 24, wie ersichtlich, der Stopfen 8 gehoben und gesenkt und dabei so eingestellt werden, dass gerade die gewünschte Dampfmenge durch die Öffnung 4 austritt. Wenn die Dampfaustrittsöffnung kleiner als die mittlere freie Weglänge der s Dampfmoleküle bei der Temperatur im Bereich der Dampfaustrittsöffnung bemessen wird, funktioniert die beschriebene Verdampferzelle als sogenannte Knudsenzelle. Als effektive Verdampfungsfläche wirkt dabei nur die von aussen durch die Dampfaustrittsöffnung hindurch gesehene Vorderseite 'o des Stopfens.

Im Falle einer Knudsenzelle ist diese Fläche sehr klein und kann praktisch als punktförmig betrachtet werden, und es wird eine genaue Kosinusverteilung der Dampfstrahlung erhalten. Wird dagegen eine grössere Dampfaustrittsöffnung 15 durch Öffnen des Stopfens bewirkt, kann eine Verteilung erreicht werden, bei der die Richtungen maximaler Dampfemission einen Kegelmantel bilden, dessen Achse mit der Achse des Stopfens 8 zusammenfällt. In der Richtung dieser Achse herrscht dann ein Minimum der Dampfstrahlung vor. 20 Eine solche Betriebsweise kann vorteilhaft sein, z.B. bei einer Aufdampfanlage, um die auf einer drehenden Kalotte (deren Achse ebenfalls mit den beiden genannten Achsen übereinstimmt) befestigte Substrate zu beschichten, wogegen in Achsrichtung ein anderes Bauteil der Anlage, z.B. ein Druck- oder 25 Schichtdickenmessgerät, angeordnet werden kann. Wenn der Abstand der Stopfenvorderseite von der Dampfaustrittsöffnung ungefähr auf das Doppelte des Durchmessers der besagten Öffnung eingestellt wird, hat die Stopfenstellung keinen Einfluss mehr auf die Dampfverteilung und man 3o erhält wiederum im wesentlichen eine Kosinusverteilung, allerdings jetzt mit einer wesentlich grösseren effektiven Verdampfungsfläche.

Für den Fachmann ist ersichtlich, dass das gezeigte Ausführungsbeispiel natürlich in verschiedenster Weise abgewan-35 delt werden kann, ohne von der Erfindungsidee abzuweichen. Der Stopfen muss nicht axial durch die Verdampfungszelle hindurchragend angeordnet werden, sondern kann auch seitlich des Verdampfungsgefässes Platz finden, wobei durch einen entsprechenden Mechanismus dafür gesorgt wird, dass 40 er die Dampfaustrittsöffnung in gewünschtem Masse öffnen bzw. verschliessen kann.

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims

654 596 PATENTANSPRÜCHE

1. Verdampferzelle für die Vakuumaufdampfung von dünnen Schichten auf Unterlagen mit einer mittels eines mechanischen Elementes beeinflussbaren Dampfaustrittsöffnung zur Steuerung der Dampfabgabe, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Element als im Innern der Zelle (Zi) angeordneter verschiebbarer Stopfen (8) für die Dampfaustrittsöffnung (4) ausgebildet ist.

2. Verdampferzelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (8) hohl ausgebildet ist und im Innern des Stopfens eine elektrische Widerstandsheizung (9) vorgesehen ist.

3. Verdampferzelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferzelle als Gefäss (1) ausgebildet ist, in dessen Deckel (3) die Dampfaustrittsöffnung (4) und in dessen Boden eine Schiebedurchführung für die Betätigung des Stopfens vorgesehen ist.

4. Verdampferzelle nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gefäss (1) und Stopfen (8) aus Werkstoffen mit ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.