DE102004051290B4

DE102004051290B4 - Einrichtung zum Beschichten von Substraten durch Aufdampfen in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer

Info

Publication number: DE102004051290B4
Application number: DE200410051290
Authority: DE
Inventors: Thomas Will; Steffen Dr. Griehl; Rolf Winkler; Kay Truxa
Original assignee: CREAVAC CREATIVE VAKUUMBESCHIC; CREAVAC-CREATIVE VAKUUMBESCHICHTUNG GmbH; Xenon Automatisierungstechnik GmbH
Current assignee: CREAVAC CREATIVE VAKUUMBESCHIC; CREAVAC-CREATIVE VAKUUMBESCHICHTUNG GmbH; Xenon Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: DE102004051290A1

Abstract

Einrichtung zum Beschichten von Substraten durch Aufdampfen in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Keramikschiffchen (1) als Verdampfer beabstandet zueinander und dass zu jedem Keramikschiffchen (1) ein Magazin (4) für Stäbe des zu verdampfenden Materials angeordnet sind, so dass die Stäbe im Magazin (4) parallel zu den Keramikschiffchen (1) angeordnet sind, dass Schubvorrichtungen (6) zum Transport jeweils eines Stabes eines Magazins (4) zu einem Keramikschiffchen (1) parallel zueinander angeordnet und mit einem Antrieb (9) gekoppelt sind, so dass gleichzeitig aus jedem Magazin (4) ein Stab zu jedem Keramikschiffchen (1) transportiert wird, dass sich die Keramikschiffchen (1), die Magazine (4), die Schubvorrichtungen (6) und der Antrieb (9) in der evakuierbaren Bearbeitungskammer befinden und dass die Einspannungen (2) der Endenbereiche der Keramikschiffchen (1) als Parallelschaltung mit einer elektrischen Stromquelle außerhalb der evakuierbaren Bearbeitungskammer über Verbindungselemente verbindbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum Beschichten von Substraten durch Aufdampfen in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer.

Verdampfer als Keramikschiffchen sind durch die DE 39 35 163 C1 (Elektrisch leitfähige Mischwerkstoffe auf Bornitrid-Basis für widerstandsbeheizte Verdampferschiffchen von Vakuum-Banddedampfungsanlagen) bekannt. Die Verdampfer bestehen aus einem Pulvergemisch, das in Graphitformen zu einem Sinterkörper heißgepresst wird. Aus diesem Block als Sinterkörper werden Stäbe und mit einer Vertiefung als Keramikschiffchen herausgearbeitet. Die so realisierten widerstandsbeheizten Keramikschiffchen sind Bestandteile einer Band-Bedampfungsanlage zum Verdampfen von Aluminium und anderen Metallen wie Kupfer oder Silber. Für eine kontinuierliche Zuführung des Verdampfungsmaterials sind diese Keramikschiffchen nicht geeignet, da sich Legierungen ausbilden können.

Durch die DE 44 39 519 C1 (Vorrichtung und Verfahren zum Vakuumbedampfen von Folien) ist eine Vorrichtung zur Vakuumbedampfung, in welcher mehrere Verdampfungsquellen aus keramischem Material zusammengeschaltet sind, und ein oder mehrere Magazine zur kontinuierlichen Nachführung von metallischem Verdampfungsgut, beispielsweise Aluminium, in Form von Stäben, Röhren oder Draht vorhanden sind. Die Bevorratung des Aufdampfguts ist allerdings nicht näher dargestellt.

Aus den Druckschriften DE 38 42 506 A1 (Verfahren und Einrichtung zum Herstellen von Ablagerungsfilmen), DE 973 280 B (Durch unmittelbaren Stromdurchgang beheizter, stabförmiger Verdampfer), GB 754,102 (Improvements in ar relating to a method and apparatus for vapourising materials, for example, metal in vacuum), US 2,403,199 A (Apparatus for forming evaporated films) und DE 43 05 721 C1 (Niedervoltbogenverdampfer mit Nachfütterungseinrichtung und Verfahren zu dessen Verwendung) sind weitere Einrichtungen zur Vakuumbeschichtung bekannt, bei welchen das metallische Aufdampfgut der Verdampfer quelle aus einer Bevorratung kontinuierlich oder diskontunierlich zugeführt wird. Dabei ist nur eine einzige Verdampferquelle vorgesehen.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, thermische Verdampfer zur Beschichtung durch Aufdampfen von Substraten in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer so zu nutzen, dass sowohl der Verdampfer und das Verdampfungsmaterial weitestgehend keine Legierung eingehen als auch viele Substratoberflächen und/oder große Substratoberflächen ohne Unterbrechung der Evakuierung der Bearbeitungskammer beschichtet werden können.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Einrichtungen zum Beschichten von Substraten durch Aufdampfen in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass Keramikschiffchen als Verdampfer ohne Unterbrechung des Vakuums der Bearbeitungskammer zur Beschichtung vieler Substratoberflächen und/oder großer Substratoberflächen eingesetzt werden können. Zur Anwendung kommen Keramikschiffchen als Verdampfer bekannterweise auf Basis von Bornitrid und Titaniumdiborid. Mehrere derartige Verdampfer sind sowohl mechanisch beabstandet zueinander als auch elektrisch parallel miteinander verbunden in den Einrichtungen angeordnet. Die Verdampfer als Keramikschiffchen sind elektrische Widerstände in einem elektrischen Stromkreis und werden beim elektrischen Stromdurchgang erhitzt. Jedem Keramikschiffchen als Verdampfer ist ein Magazin für Stäbe des zu verdampfenden Materials zugeordnet. Über Schubvorrichtungen zum Transport eines Stabes zwischen jeweils einem Magazin und einem Keramikschiffchen können nach Verdampfen der Stäbe in den Keramikschiffchen neue Stäbe ohne Unterbrechung des Vakuums der Bearbeitungskammer in die Keramikschiffchen transportiert werden. Dadurch erfolgt eine automatische Bestückung der Keramikschiffchen mit Stäben, wobei der gesamte Vorgang nach Beendigung des vorhergehenden Beschichtungszyklus bis zum erneuten Aufheizen der Keramikschiffchen nur eine sehr geringe Zeit in Anspruch nimmt. Durch die lange Lebensdauer der Keramikschiffchen können größere Mengen von Material verdampft werden, so dass auch große Schichtdicken erreichbar sind.

Die erfindungsgemäßen Einrichtungen eignen sich vorteilhafterweise auch zum Beschichten von Substraten mit Aluminium, wobei die Keramikschiffchen keine Verbindung mit dem Aluminium eingehen. Herkömmliche und bekannte Wolframwendeln besitzen dagegen den Nachteil, dass ein Anteil des Aluminiums nach dem Beschichtungszyklus in der Wendel als Legierungsbestandteil des Wolframs verbleibt.

Die Einrichtungen zeichnen sich damit vorteilhafterweise durch

– hohe Standzeiten,
– hohe Zuverlässigkeit
– geringen Wartungsaufwand durch eine automatischen Bestückung,
– Reduzierung der Bedampfungszeit,
– geringe Kosten der Beschichtung und
– geringeres Abfallaufkommen

aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 angegeben.

Vorteilhafterweise sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 zwei Stromschienen parallel zueinander angeordnet und die Einspannungen für die Keramikschiffchen auf diesen befestigt. Damit dienen die Stromschienen gleichzeitig sowohl der elektrischen Verbindung der parallel geschalteten Keramikschiffchen als auch der mechanischen Positionierung der Keramikschiffchen in der evakuierbaren Bearbeitungskammer. Dadurch ist eine kompakte und einfache Platzierung der Keramikschiffchen vorhanden.

Eine gegenüber den Stromschienen schräge Anordnung der Keramikschiffchen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 gewährleistet eine lange Verdampfungsstrecke mit einer weitestgehend kontinuierlichen Konzentration der verdampften Materialien in den Dämpfen.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 4 führt zu einer vorteilhaften und einfach realisierten Ausführung einer Schubvorrichtung für einen Stab vom Magazin zu einem Keramikschiffchen. Der obere Bestandteil ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 mit dem Schrittmotor direkt gekoppelt, so dass die Öffnung für den Stab über dem Keramikschiffchen ohne weitere Antriebe und während der Weiterbewegung des oberen gegenüber dem unteren Bestandteil geöffnet wird. Der obere Bestandteil überfährt dabei den unteren Bestandteil, wobei die Bewegung mittels eines Anschlags gestoppt ist.

Die Patentwand zwischen einem oder den Keramikschiffchen und einem Magazin oder mehreren Magazinen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 dient sowohl als BedampfungsPatent als auch als WärmePatent für das Magazin oder die Magazine.

Vorteilhafterweise sind im Magazin nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 mehrere Stäbe übereinander angeordnet. Dadurch kann an der Austrittsöffnung des Magazins leicht nur ein Stab entnommen und in der Schubvorrichtung platziert werden. In Verbindung mit den Weiterbildungen des Patentanspruchs 8 werden die Stäbe in Richtung der Austrittsöffnung des Magazins gedrückt, so dass bei Vorhandensein von Stäben im Magazin immer die Entnahme eines Stabes gewährleistet ist. Eine Unterbrechung einer Entnahme durch ein mögliches Verkanten eines Stabes im Magazin kann weitestgehend vermieden werden.

Vorteilhafterweise bestehen die Stäbe nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 aus Aluminium und nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 die Substrate aus einem Kunststoff, so dass Oberflächen des Kunststoffsubstrate mit einer Aluminiumschicht bedampft werden.

Der Antrieb und die elektrische Stromquelle sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 mit einer Steuerung so zusammengeschaltet, dass nach dem Verdampfen aller Stäbe in den Keramikschiffchen diese gleichzeitig mit jeweils einem neuen Stab versehen werden. Dabei ist sichergestellt, dass die Stäbe vollständig verdampft und kein Restmaterial in den Keramikschiffchen vorhanden sind. Nach Bestückung der Keramikschiffchen mit den Stäben erfolgt das Verdampfen aller Stäbe. Dabei sind die Stromschienen über die Steuerung mit der elektrischen Stromquelle verbunden.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 sind in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer mehrere Einrichtungen bestehend aus Keramikschiffchen, Magazinen, Schubvorrichtungen und einem Antrieb angeordnet. Dadurch können auch eine Vielzahl von Substraten gleichzeitig beschichtet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Einrichtung zum Beschichten von Substraten durch Aufdampfen mit mehreren Keramikschiffchen, Magazinen und einer Patentwand und
2 eine Detailansicht dieser Einrichtung.
Eine Einrichtung zum Beschichten von Substraten durch Aufdampfen in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer besteht im wesentlichen aus Keramikschiffchen 1 mit seitlichen Einspannungen 2 als Verdampfer auf zwei Stromschienen 3, Magazinen 4 mit Stäben des zu verdampfenden Materials, Schubvorrichtungen 6 zum Transport eines Stabes und einem Antrieb 9 für die Schubvorrichtungen 6.
In der 1 ist prinzipiell eine Einrichtung zum Beschichten von Substraten als Gegenstände durch Aufdampfen dargestellt.
Die Stromschienen 3 sind parallel zueinander angeordnet. Auf diesen sind die seitlichen Einspannungen 2 für die Endenbereiche der Keramikschiffchen 1 als Verdampfer so befestigt, dass die Keramikschiffchen 1 sowohl beabstandet parallel zueinander und schräg gegenüber den Stromschienen 3 angeordnet sind. Die Stromschienen 3 dienen gleichzeitig als Halterungen für die Einspannungen 2 und damit der Keramikschiffchen 1. Dadurch sind die Keramikschiffchen 1 parallel ansteuerbar und können aufgrund ihrer Geometrie und den elektrischen Eigenschaften über eine elektrische Stromversorgung parallel betrieben werden. Dazu sind die Stromschienen 3 über Verbindungselemente mit einer elektrischen Stromquelle außerhalb der evakuierbaren Bearbeitungskammer verbindbar. Dazu gehören auch elektrische Leitungsdurchführungen durch die Wand der evakuierbaren Bearbeitungskammer.
Die Keramikschiffchen 1 selbst bestehen bekannterweise aus Materialien auf Basis von Bornitrid und Titaniumdiborid. Die Keramikschiffchen 1 werden aus einem homogenen Pulvergemisch mittels Heißpressen in Graphitformen bei Temperaturen bis zu 2000°C hergestellt. Aus den damit hergestellten Blöcken werden anschließend die Keramikschiffchen 1 herausgearbeitet.
Zur Metallisierung von zum Beispiel Kunststoffen mit Aluminium befindet sich die zu verdampfende Aluminiummenge als Stab im Keramikschiffchen 1. Mit einem Keramikschiffchen 1 der Größe 4mm × 6mm × 110mm können zum Beispiel bis zu ca. 0,4g Aluminium vollständig verdampft werden. Aufgrund der Verdampfungscharakteristik ist der Anteil des Aluminiums das die Substrate als Gegenstände erreicht sehr hoch. Nur ca. 10% geht durch die seitlichen Einspannungen 2 und Abdampfen außerhalb der Vorzugsrichtung der Beschichtung der Substrate verloren.
Eine Integration derartiger Verdampfer in eine Produktionsanlage ist aber nur sinnvoll, wenn innerhalb eines Vakuumprozesses eine Neubestückung der Keramikschiffchen 1 als Verdampfer mit Aluminium realisierbar ist. Dazu sind zu jedem Keramikschiffchen 1 ein Magazin 4 für Stäbe des zu verdampfenden Materials angeordnet, so dass die Stäbe im Magazin 4 parallel zu den Keramikschiffchen 1 angeordnet sind. Im Magazin 4 sind mehrere Stäbe übereinander angeordnet. Zwischen dem obersten Stab im Magazin 4 und der Magazindecke kann sich in einer Ausführungsform des Magazins 4 eine Federeinrichtung befinden. Über eine Schubvorrichtung 6 zwischen jeweils jedem Magazin 4 und Keramikschiffchen 1 kann ein Stab aus dem Magazin 4 positionsgenau auf dem Keramikschiffchen 1 abgelegt werden.
Die Schubvorrichtung 6 besteht aus wenigstens zwei geführten Bestandteilen, wobei der gegenüber dem Magazin 4 obere Bestandteil 7 eine Öffnung 8 für einen Stab aufweist. Der gegenüber dem Magazin 4 obere Bestandteil 7 ist über eine Zahnstange mit einem Schrittmotor als Antrieb 9 gekoppelt und dadurch zwischen Magazin 4 und Keramikschiffchen 1 verfahrbar. Durch Anschläge für die Bestandteile ist die Öffnung 8 über dem Keramikschiffchen 1 offen und die Öffnung 8 unter dem Magazin 4 durch das gegenüber dem Magazin 4 untere Bestandteil in dieser Richtung geschlossen, so dass der untere Bestandteil der Träger für einen Stab ist. Die 2 zeigt dazu eine Detailansicht der Einrichtung. Alle Schubvorrichtungen 6 sind mit dem Antrieb 9 verbunden, so dass nach dem Verdampfen der Stäbe in den Keramikschiffchen 1 diese mit jeweils einem neuen Stab aus den Magazinen 4 versehen werden. Der Antrieb 9 für die Schubvorrichtungen 6 ist ein vakuumtauglicher Schrittmotor, der innerhalb des Vakuums der evakuierbaren Bearbeitungskammer betrieben wird.
Mit der Einrichtung wird erreicht, dass der gesamte Vorgang nach Beendigung des vorhergehenden Beschichtungszyklus bis zum erneuten Aufheizen der Keramikschiffchen 1 nur ca. 15s in Anspruch nimmt.
Als Bedampfungs- und WärmePatent der Magazine 4 ist zwischen den Magazinen 4 und den Keramikschiffchen 1 als Verdampfer eine Patentwand 5 angeordnet.
Der Antrieb 9 und die elektrische Stromquelle sind mit einer Steuerung so zusammengeschaltet, dass nach dem Verdampfen der Stäbe in den Keramikschiffchen 1 der Antrieb 9 angesteuert wird, wobei nach der Vorwärtsbewegung der Schubvorrichtung 6 ein Stab in die Keramikschiffchen 1 gelangt, und nach der Rückbewegung der Schubvorrichtung 6 die Keramikschiffchen 1 über die Steuerung mit der elektrischen Stromquelle verbunden sind.
In einer Ausführungsform einer evakuierbaren Bearbeitungskammer können sich auch mehrere Einrichtungen bestehend aus Keramikschiffchen 1, Magazinen 4, Schubvorrichtungen 6 und einem Antrieb 9 in der evakuierbaren Bearbeitungskammer befinden.

Claims

Einrichtung zum Beschichten von Substraten durch Aufdampfen in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Keramikschiffchen (1) als Verdampfer beabstandet zueinander und dass zu jedem Keramikschiffchen (1) ein Magazin (4) für Stäbe des zu verdampfenden Materials angeordnet sind, so dass die Stäbe im Magazin (4) parallel zu den Keramikschiffchen (1) angeordnet sind, dass Schubvorrichtungen (6) zum Transport jeweils eines Stabes eines Magazins (4) zu einem Keramikschiffchen (1) parallel zueinander angeordnet und mit einem Antrieb (9) gekoppelt sind, so dass gleichzeitig aus jedem Magazin (4) ein Stab zu jedem Keramikschiffchen (1) transportiert wird, dass sich die Keramikschiffchen (1), die Magazine (4), die Schubvorrichtungen (6) und der Antrieb (9) in der evakuierbaren Bearbeitungskammer befinden und dass die Einspannungen (2) der Endenbereiche der Keramikschiffchen (1) als Parallelschaltung mit einer elektrischen Stromquelle außerhalb der evakuierbaren Bearbeitungskammer über Verbindungselemente verbindbar sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stromschienen (3) parallel zueinander angeordnet sind und dass Einspannungen (2) für jeweils einen Endenbereich der Keramikschiffchen (1) auf einer Stromschiene (3) und Einspannungen (2) für jeweils den anderen Endenbereich der Keramikschiffchen (1) auf der anderen Stromschiene (3) befestigt sind.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschiffchen (1) schräg über die Einspannungen (2) auf den Stromschienen (3) angeordnet sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubvorrichtung (6) aus wenigstens zwei geführten Bestandteilen besteht, dass der gegenüber dem Magazin (4) obere Bestandteil (7) eine Öffnung (8) für einen Stab aufweist, dass die Bestandteile über eine Zahnstange mit einem Schrittmotor als Antrieb (9) zwischen Magazin (4) und Keramikschiffchen (1) verfahrbar sind und dass mit Anschlägen für die Bestandteile die Öffnung (8) über dem Keramikschiffchen (1) offen und die Öffnung (8) unter dem Magazin (4) durch den gegenüber dem Magazin (4) unteren Bestandteil in dieser Richtung geschlossen ist, so dass der untere Bestandteil der Träger für einen Stab ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bestandteil (7) mit dem Schrittmotor gekoppelt ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Keramikschiffchen (1) und Magazin (4) eine das Magazin (4) in Richtung des Keramikschiffchens (1) überdeckende Patentwand (5) angeordnet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Magazin (4) mehrere Stäbe übereinander angeordnet sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem obersten Stab im Magazin (4) ein Beschwerungskörper befindet oder dass zwischen oberstem Stab im Magazin (4) und der Magazindecke eine Federeinrichtung angeordnet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe aus Aluminium bestehen.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate aus einem Kunststoff besteht.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (9) und die elektrische Stromquelle mit einer Steuerung so zusammengeschaltet sind, dass nach dem Verdampfen der Stäbe in den Keramikschiffchen (1) der Antrieb (9) angesteuert wird, wobei nach der Vorwärtsbewegung der Schubvorrichtung (6) ein Stab in die Keramikschiffchen (1) gelangt, und dass nach der Rückbewegung der Schubvorrichtung (6) die Keramikschiffchen (1) über die Steuerung mit der elektrischen Stromquelle verbunden sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer mehrere Einrichtungen bestehend aus Keramikschiffchen (1), Magazinen (4), Schubvorrichtungen (6) und einem Antrieb (9) befinden.