CH663037A5

CH663037A5 - Dampfquelle fuer vakuumbeschichtungsanlagen.

Info

Publication number: CH663037A5
Application number: CH509/85A
Authority: CH
Inventors: Urs Wegmann
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1985-02-05
Filing date: 1985-02-05
Publication date: 1987-11-13
Also published as: FR2576918B1; JPS61183461A; JP2510986B2; DE3506671A1; DE3506671C2; US4748935A; FR2576918A1; GB8602711D0; GB2170823A; GB2170823B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfquelle in Vakuumbeschichtungsanlagen, wobei der Träger des dampfabgebenden Materials drehbar ausgebildet und durch einen Motor angetrieben wird. Dampfquellen, bei denen der Träger des dampfabgebenden Stoffes, z.B. ein Schmelztiegel für das zu verdampfende Material, drehbar ausgebildet ist, sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekanntgeworden.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 521 225 ist bekannt, einen Verdampfertiegel drehbar zu machen zu dem Zweck, das geschmolzene verdampfbare Material durch Zentrifugalkraft an der Innenseite des Verdampfertiegels zu halten,

wobei die Oberfläche der Schmelze durch die Zentrifugalkraft eine solche Form erhält, dass eine Fokussierung der verdampften Teilchen bewirkt wird. Damit kann die Verteilung des auf Substraten kondensierenden Dampfes beeinflusst werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass dank der Paraboloid-form der Schmelzbadoberfläche bei Drehung des Tiegels diese Oberfläche und damit die Dampfabgabe vergrössert wird.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Verteilung des Schichtmaterials durch die Wahl der Drehzahl eines Verdampfungstiegels zu beeinflussen, wobei dieses Verfahren den Vorteil bietet, dass die Verteilungskurve durch Änderung der Drehzahl auch während des Aufdampfvorganges selbst vorgenommen und damit den jeweiligen Bedingungen ange-passt werden kann.

Eine weitere Anordnung mit drehbaren Tiegeln, welche mit einer Tiegelwechselvorrichtung verbunden sind, und wobei der jeweils in Verdampfungsposition befindliche Tiegel durch eine an diesen ansetzbare Welle in Drehbewegung versetzt werden kann, zeigt DE-OS 33 16 554. Aufdampfanlagen mit einer Einrichtung zum Rotieren des zu verdampfenden Gutes während der Verdampfung zeigen auch GB-PS 13 18 046, DT-OS 30 10 925 sowie DT-OS 26 15 215; bei der in der letztgenannten Literaturstelle beschriebenen Anordnung ist das Verdampfungsgut während des Verdampfens ausserdem in vertikaler Richtung der Drehachse verschiebbar, also höhenverstellbar.

Bei allen erwähnten Anordnungen wurde der Motor gewöhnlich ausserhalb der Aufdampfkammer angeordnet, und es wurde die Drehbewegung mittels einer abgedichteten Welle in das Vakuum eingeführt. Wegen dieser Durchführung durch die Wand war der Verdampfer in der Vakuumkammer selbst mehr oder weniger fixiert, abgesehen von der erwähnten Höhenverstellbarkeit.

DE-AS 1 521 525, Figur 7 erwähnt allerdings die Möglichkeit, die Drehdurchführung in der Wand der Vakuumkammer 5 schwenkbar zu machen, so dass der Welle verschiedene, den jeweiligen Bedürfnissen anpassbare Richtungen erteilt werden können.

Ein drehbarer Verdampfer mit Verstellbarkeit in lateraler Richtung (senkrecht zur Drehachse) ist bekanntgeworden aus io DE-PS 2 849 933, wobei die drei wichtigsten Bauelemente einer Elektronenstrahl-Verdampfungseinrichtung, nämlich die Haltevorrichtung für das zu verdampfende Gut, z.B. ein Verdampfungstiegel, eine Elektronenstrahlquelle und ein Umlenkmagnet für den Elektronenstrahl auf einer gemeinsa-15 men Haltestange befestigt sind und wobei ferner die Haltevorrichtung für das Verdampfungsgut als Drehtiegel mit an derselben Haltestange befestigtem und in der Vakuumkammer betriebenem Motor ausgebildet sein konnte. Die Haltestange selbst war durch die Wand der Vakuumkammer vaku-20 umdicht hindurchgeführt und konnte für eine passende Einstellung verschoben werden.

In der Elektronikindustrie werden bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen dünne Metallschichten oft mit Elektro-nenstrahlverdampfern aufgebracht. Auch für die Herstellung 25 von optischen Schichten werden vielfach Elektronenstrahl-verdampfer eingesetzt. Die an die Verdampfungseinrichtung gestellten Ansprüche sind bei diesen Anwendungen sehr hoch. Insbesondere werden oft aussergewöhnlich hohe Anforderungen gestellt an die Homogenität der Schichtdik-30 kenverteilung, Schichtdickenreproduzierbarkeit, Einhaltung einer bestimmten Winkelverteilung des Dampfes und dergleichen. Höchste Anforderungen können nur erfüllt werden, wenn a) das Material von immer demselben und genau definier-35 ten Quellenort innerhalb der Aufdampfkammer aus verdampft wird,

b) die Charakteristik der Dampfausbreitung möglichst konstant ist.

Es ist bekannt, dass ein Rotieren bzw. Bewegen des Ver-40 dampfungsmaterials unter dem Elektronenstrahl ein wesentlich ruhigeres Aufdampfverhalten ergibt. Bei niedrig schmelzenden Metallen, wie beispielsweise Aluminium, wird dadurch die Spritzerhäufigkeit drastisch reduziert, wobei auch Badoszillationen, welche zu Schwankungen in der 45 Dampfausbreitung führen, wesentlich vermindert werden. Bei hochschmelzenden Metallen wird durch das Rotieren des Tiegels vermieden, dass Löcher und Krater im Verdampfungsmaterial entstehen, welche die Dampfverteilung ebenfalls ungünstig beeinflussen. Bei Dielektrikas, wie beispiels-5o weise Si02 oder bei sublimierenden Materialien wie Chrom wiederum wird durch Rotieren des Tiegels ein «Einbrennen» von Löchern verhindert. Mit dieser Methode können auch grosse Materialflächen sehr eben bzw. gleichmässig abgedampft werden. Durch die Rotation ist es auch besser mög-55 lieh, den Quellenort stabil und klein zu halten, was bei grossen Tiegeldurchmessern mit Hilfe einer Strahlabtastung allein (Wobbelung) nicht erreicht werden konnte.

Die besten Resultate werden jedoch erzielt, wenn Rotation und eine programmierte Strahlablenkung zusammen ver-60 wendet werden. Die Strahlablenkung dient dann nur dazu, über einen kleinen bestimmten Bereich eine exakte Verdampfungszone zu definieren.

Die bis anhin verwendeten Drehtiegelverdampfer waren recht aufwendig in der Handhabung. Die Antriebe wurden 65 jeweils ausserhalb der Vakuumkammer angeordnet, wo sie oft hinderlich waren. Die für den Antrieb nötigen Durchführungen begrenzen auch die Einbaumöglichkeiten beträchtlich. Der Verdampfungsort war deshalb nur in gewissen Grenzen wählbar.

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Besonders schwerwiegend sind die erwähnten Probleme dann, wenn in einem Aufdampfprozess mehrere Schichten aufgebracht werden müssen, was heute sehr oft der Fall ist. Bis anhin hat man sich damit beholfen, sogenannte Mehrlochtiegel zu benutzen. Die einzelnen Tiegelnäpfe können dabei nacheinander in Verdampfungsposition gebracht werden. Diese Art Quelle lässt wohl das Verdampfen immer von demselben Ort aus zu, löst aber, weil keine Rotation der Tiegelnäpfe um die eigene Achse vorhanden ist, die Probleme der gleichmässigen Verdampfung nicht.

Dem beschriebenen Stand der Technik gegenüber hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Anordnung in einer Vakuumbeschichtungsanlage anzugeben, bei welcher der Verdampferort innerhalb der Anlage bei gleichzeitiger Möglichkeit, das Verdampfungsgut während der Verdampfung einer Rotation zu unterwerfen, frei wählbar ist.

Die erfindungsgemässe Dampfquelle gemäss Patentanspruch 1 löst die genannte Aufgabe.

Vorzugsweise wird der Drehantrieb zusammen mit der eigentlichen Dampfquelle, z.B. dem Tiegel, sowie einem Getriebe und dem zugehörigen Motor als kompakte Baueinheit ausgeführt. Eine freie Plazierung des Verdampfers in der Aufdampfkammer ist dann ohne wesentliche Einschränkung möglich. Sollen mehrere Materialien aus Drehtiegeln verdampft werden, kann eine entsprechende Anzahl von Baueinheiten auf Schlitten oder auf einer Drehanordnung beweglich angeordnet werden, so dass durch Verschieben des jeweils gebrauchten Verdampfers immer erreichbar ist, dass der Verdampfungsort in der Anlage stets gleich bleibt; aber natürlich können auch für die einzelnen Verdampfungsvorgänge unterschiedliche Verdampfungsorte gewählt werden, wenn dies zweckmässig erscheint. Ferner kann durch stetiges Bewegen des Verdampfers während des Aufdampfprozesses eine gute Schichtdickenverteilung auch auf grossen Substratflächen, wie beispielsweise Zylindertrommeln erreicht werden.

Besonders empfehlenswert ist eine Ausführungsform, bei der die Baueinheit eine Elektronenstrahl-Erzeugungseinrichtung zur Beheizung des zu verdampfenden Materials enthält. Dabei können gleichzeitig eine Einrichtung zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf dem zu verdampfenden Material und Mittel zur Beeinflussung des Ortes und der Grösse des Fokus vorgesehen werden.

Empfehlenswert ist es auch, das zu einer Baueinheit gehörige Getriebe und den Antriebsmotor vakuumdicht zu kapseln, wodurch die Gasabgabe an das Aufdampfvakuum auf ein Minimum reduziert werden kann. Als Motor kann ein Elektromotor gewählt werden, aber auch Motore, die mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium angetrieben werden. Die Versorgungsleitungen für den Motor und eine meistens erforderliche Kühlung, also elektrische Kabel und entsprechende Leitungen für die Zu- und Abfuhr eines Antriebsmittels bzw. eines Kühlmediums, können in einem flexiblen Schlauch zusammengefasst werden, der im Innern der Aufdampfanlage mit einem entsprechenden Anschluss für Strom bzw. die betreffenden Medien verbunden werden kann. Ein solcher flexibler Versorgungsschlauch beeinträchtigt, wie sich gezeigt hat, das Arbeiten mit einer solchen Beschichtungsan-lage kaum, und vor allem ist auch eine leichte und schnelle Austauschbarkeit gewährleistet, weil die entsprechenden Verbindungen mit Versorgungsleitungen im Bedarfsfalle leicht gelöst werden können.

Bei Verwendung grösserer Verdampfer, die mit einem Motor zu einer Baueinheit zusammengefasst sind, kann es zweckmässig sein, das Bewegen im Innern der Beschichtungs-anlage dadurch noch zu erleichtern, dass die einzelnen Baueinheiten auf je einem fahrbaren Gestell montiert sind, so dass sie auf den Boden einer grösseren Beschichtungsanlage ohne grossen Kraftaufwand an den jeweils passenden Ort gefahren werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die anliegende Zeichnung zeigt eine eine Baueinheit darstellende Verdampfereinheit, welche einen drehbaren Verdampfungstiegel 1, eine zur Beheizung desselben dienende Einrichtung 2 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 3, einen Magneten 4 zur Erzeugung eines den Elektronenstrahl auf das Schmelzgut 5 im Tiegel umlenkenden Magnetfeldes,

sowie einen Motor 6 mit Getriebe zum Antrieb der den Tiegel tragenden vertikalen Welle 7 aufweist. Die Baueinheit ist über eine durch einen flexiblen Metallschlauch 8 gebildete Versorgungsleitung zur Zuführung der erforderlichen elektrischen Energie und eines Kühlmittels mit entsprechenden Anschlüssen in der Beschichtungsanlage verbunden.

Im einzelnen zeigt die Zeichnung ferner, dass die Baueinheit von einem Gehäuse 9 umschlossen ist, das einen Boden 10 und eine den Tiegel abdeckende Platte 11 aufweist, mit Offnungen 12 und 13 für den Elektronenstrahl bzw. für den Austritt des erzeugten Dampfes aus dem Tiegel. Der Boden des Tiegels und teilweise auch seine Seitenwände sind hohl ausgebildet (14), um ein Kühlmittel hindurchführen zu können. Das Kühlmittel wird über die hohle Welle zu und über den diese umschliessenden Ringkanal 15 abgeleitet. Durch ein im Hohlraum angebrachtes Leitblech 16 wird bewirkt,

dass das Kühlmittel zuerst von der Tiegelachse radial nach aussen und dann den Rand des Leitbleches umströmend wieder radial nach innen fliessen muss.

Das zugeführte Kühlmittel gelangt über eine Bohrung 18 in einen Ringraum 19 und von da über die Ringkammer 20 in die Hohlwelle 7. Nachdem es dann durch den Ringkanal 15 aus dem Kühlraum des Tiegels zurückkommt, wird es über eine weitere Ringkammer und Bohrung 21 durch eine hinter der Zuleitung 17 liegende und daher in der Zeichnung nicht sichtbare Leitung wieder abgeführt.

Weitere Einzelheiten der Kühlmittelzu- und -abführung sind aus der Zeichnung ersichtlich, aber für das Wesentliche des Erfindungsgedankens nicht von Bedeutung und können in mannigfacher Weise abgeändert werden. Die Zeichnung zeigt mehrere Ringdichtungen für die Kühlmittelkanäle sowie Kugellager für die Antriebswelle des Tiegels. In der Versorgungsleitung 8 ist nur die zuvorderst liegende Zuleitung 17 für das Kühlmittel zu ersehen, nicht die dahinter liegende Ableitung und auch nicht die elektrischen Leitungen für die Energieversorgung des Motors und der Einrichtung zur Elektronenstrahlerzeugung.

Auch der Tiegelantrieb kann in verschiedener Weise gegenüber der in der Zeichnung dargestellten Konstruktion abgewandelt werden. Ein Getriebe ist nicht immer erforderlich, unter Umständen kann ein langsamlaufender Motor direkt an die Tiegelwelle gekoppelt werden. In manchen Anwendungsfällen ist allerdings eine sehr langsame Drehung wünschenswert.

Die technischen Einzelheiten einer Elektronenstrahlerzeu-gungseinrichtung und des Umlenkmagneten sind an sich bekannt und bilden nicht den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Erfindungsgemässe Dampfquellen können vor allem bei grösseren Beschichtungsanlagen mit Vorteil eingesetzt werden, wenn es nämlich erforderlich ist, z.B. für die gleichmäs-sige Beschichtung grösserer Flächen mehrere Dampfquellen vorzusehen, wobei der Ort der Verdampfung je nach den jeweils zu beschichtenden Gegenständen von Fall zu Fall unter Umständen sogar während der Beschichtung geändert werden soll. Da jede erfindungsgemässe Dampfquelle eine Baueinheit bildet, kann sie als Ganzes in der Anlage an den jeweils passenden Ort hingefahren werden. Etwa erforderliche Einrichtungen zum Bewegen der Baueinheit, wie z.B. Schienen, Zugseile und dergleichen können in zweckentsprechender Weise vorgesehen werden und sind den einzelnen Anwendungsfällen anzupassen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Dampfquelle in Vakuumbeschichtungsanlagen, wobei der Träger des dampfabgebenden Materials drehbar ausgebildet und durch einen Motor angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfquelle (1) zusammen mit dem Motor (6) eine Baueinheit bildet, welche in mindestens zwei Dimensionen in der Vakuumbeschichtungsanlage verschiebbar angeordnet ist.

2. Dampfquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit eine Elektronenstrahlerzeugungsein-richtung (2) zur Beheizung des zu verdampfenden Materials (5) umfasst.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Dampfquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit eine Einrichtung (4) zur Fokussie-rung des Elektronenstrahls (3) auf dem zu verdampfenden Material (5) und Mittel zur Beeinflussung des Ortes und der Grösse des Fokus enthält.

4. Dampfquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit aus einem Verdampfungstiegel (1) mit angebautem Getriebe und Antriebsmotor (6) besteht und die beiden letzteren vakuumdicht gekapselt sind.

5. Dampfquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit mit einem von einem flüssigen oder gasförmigen Medium angetriebenen Motor verbunden ist.