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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumverdampfungsvorrichtung, bei welcher
ein Material mittels der Energie eines Elektronenstrahls in die
Dampfphase überführt und
auf einem Substrat abgeschieden wird, und insbesondere eine Vorrichtung,
mittels der Anlagenkomponenten innerhalb einer Vakuumkammer vor
dem Beschichten mit Verdampfungsgut geschützt werden können.
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Neben
dem erwünschten
Bedampfen von zu beschichtenden Substraten innerhalb einer Vakuumverdampfungsvorrichtung
breitet sich das in die Dampfphase überführte Material auch seitlich
von einem Substrat aus und beaufschlagt Anlagenkomponenten innerhalb
der Vakuumkammer. Dies trifft insbesondere auf Anlagen zu, bei denen
das Material mittels eines Elektronenstrahls verflüssigt und
verdampft wird, da der Elektronenstrahl bewirkt, dass die Dampfteilchen
in einer großen
Winkelverteilung vom Auftreffpunkt des Elektronenstrahls aufsteigen. Die
daraus resultierende unerwünschte,
nachfolgend parasitär
genannte Bedampfung von Anlagenteilen oder Rezipientenwänden kann
zu Prozessunterbrechungen führen
und wirkt sich dann sehr nachteilig aus. Diese Prozessunterbrechungen
werden einerseits bedingt durch das zyklische Reinigen der unerwünscht beschichteten
Anlagenkomponenten und resultieren anderseits aus ungewollten Prozessstörungen,
weil sich zufällig
von den Anlagenkomponenten lösende
Parasitärschichten
entweder in den Verdampfertiegel fallen, was zu starken Schmelzbadverspritzungen
führen
kann, oder auf das zu beschichtende Substrat fallen, wodurch mechanische
Blockierungen entstehen können.
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Stand der
Technik
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In
DE 28 21 131 A1 ist
deshalb vorgeschlagen worden, ein käfigartiges Flächengebilde
in eine Vakuumkammer zu integrieren, welches beispielsweise aus
einem Drahtgeflecht oder Lochblech besteht und sowohl das Verdampfungsgut
als auch zu beschichtende Substrate umschließt. Ferner weist das Flächengebilde
eine Öffnung
auf, durch die ein Elektronenstrahl zum Verdampfen des Verdampfungsgutes
hindurch treten kann. Der Materialdampf, der sich nicht auf zu beschichtenden
Substraten niederschlägt,
kondensiert und erstarrt am käfigartigen Flächengebilde
und formt mit diesem eine feste Einheit. Außerhalb des Flächengebildes
angeordnete Vakuumkammerbestandteile werden dadurch weitgehend vor
Ver unreinigungen mit Verdampfungsgut geschützt. Das erstarrte Verdampfungsgut
befindet sich bei einer derartigen Lösung jedoch immer noch oberhalb
des Verdampfungsgefäßes, so
dass die Gefahr des Ablösens
von erstarrtem Verdampfungsgut mit den damit verbundenen Prozessbeeinträchtigungen
weiterhin besteht. Als Nachteil derartiger Vorrichtungen hat sich
ebenfalls erwiesen, dass sich der Großteil des mit dem Flächengebilde
verbundenen Verdampfungsgutes nur schlecht vom Flächengebilde
lösen lässt, wodurch
einerseits das am Flächengebilde
niedergeschlagene Material einer weiteren Verwertung nicht mehr
zur Verfügung
steht und andererseits das Flächengebilde
nur eine zeitlich begrenzte Funktionsfähigkeit aufweist.
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Aus
DE 34 20 245 A1 ist
weiterhin bekannt, Teilflächen
einer in einer Vakuumkammer angeordneten Kühlwalze mittels einer vor der
Kühlwalze
angeordneten Blende vor dem Beschichten mit Verdampfungsgut zu schützen. Dabei
ist die Blende beheizbar in einer von der Waagerechten abweichenden
Form über
einem Verdampfertiegel derart angeordnet, dass die tiefste Stelle
der Blende über
der Tiegelöffnung
(vorzugsweise am Rand der Tiegelöffnung)
liegt. Dadurch kann das an der Blende kondensierte Verdampfungsgut
an der Blende in den Tiegel hinunterlaufen bzw. abtropfen. Mittels
dieser Lösung ist
jedoch nur die Kühlwalze
oder ein Teilbereich dieser vor einer parasitären Beschichtung geschützt, wo hingegen
andere Einrichtungsbestandteile der Vakuumkammer weiterhin dem Materialdampf
ausgesetzt sind.
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Da
beim Elektronenstrahlverdampfen das Material im Verdampfungstiegel
meist nicht vollständig
verflüssigt
und verdampft wird, was hauptsächlich für die Tiegelrandbereiche
zutrifft, das an der Blende kondensierte Material aber in den Randbereichen des
Tiegels zurückkehrt,
wird dieses zurückgeführte Material
oftmals nicht mehr im Tiegel verflüssigt und verdampft und somit
dem Verdampfungsvorgang zugeführt,
sondern es kommt in den Tiegelrandbereichen zu unerwünschten
Materialaufhäufungen. Tropft
das Material hingegen in einen verflüssigten Bereich des Verdampfungsmaterials
im Tiegel, kann dies zu unerwünschten
Verspritzungen führen.
Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass nur
ein geringer Teil der Anlagenkomponenten innerhalb der Vakuumkammer
vor dem parasitären Beschichten
mit Verdampfungsgut geschützt
wird.
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Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde eine Vorrichtung zu
schaffen, mittels der bei Elektronenstrahlverdampfern das Ausbilden
parasitärer
Beschichtungen eingeschränkt
und durch das Reinigen von Anlagenkomponenten bzw. durch das Lösen von
parasitären Schichten
bedingte Prozessunterbrechungen reduziert werden.
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Die
Lösung
des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Elektronenstrahlverdampfen umfasst eine in einer Vakuumarbeitskammer
angeordnete Elektronenstrahlkanone zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, mittels
dem ein in einem Gefäß enthaltenes
Material verdampfbar ist; eine Mantelfläche, die den aufsteigenden
Materialdampf zwischen Gefäß und einem zu
beschichtenden Substrat nahezu vollständig umhüllt. Dabei umfasst die Mantelfläche keine
senkrecht oder waagerecht verlaufenden Teilflächen und weist eine erste Öffnung auf,
durch die der Elektronenstrahl ausgehend von der Elektronstrahlkanone
hindurch tritt und auf das zu verdampfende Material auftrifft. Dadurch,
dass die Mantelfläche
den Materialdampf in senkrechter Richtung zwischen Gefäß und Substrat
nahezu vollständig
umhüllt,
wird das Ausbreiten des Materialdampfes in seitliche Richtungen unterbunden
und somit werden Anlagenkomponenten im Inneren der Vakuumarbeitskammer
vor dem unerwünschten
Beschichten mit Materialdampf geschützt. Je vollständiger der
aufsteigende Materialdampf von der Mantelfläche umhüllt wird, umso besser werden
unerwünschte
Beschichtungen an Anlagenkomponenten verhindert. Ein vollständiges Umhüllen des
aufsteigenden Materialdampfes ist oftmals schon deshalb nicht möglich, weil
beispielsweise bei Beschichtungsaufgaben, bei denen ein großes Substrat
bedampft werden soll, das Substrat während des Bedampfens in waagerechter
Richtung bewegbar bleiben muss. Dichtungselemente zwischen Mantelfläche und
Substrat sind daher nicht einsetzbar, ohne die auf dem Substrat
abgeschiedene Schicht zu beschädigen.
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Ein
weiteres Merkmal einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
dass die Mantelfläche während eines
Verdampfungsvorgangs auf Temperaturen einstellbar ist, die über der
Schmelztemperatur des im Gefäß enthaltenen
Materials liegen. Weist die Mantelfläche Temperaturen unterhalb
der Verdampfungstemperatur des zu verdampfenden Materials auf, kann
Materialdampf, der auf die Mantelfläche auftrifft, an der schräg verlaufenden
Mantelfläche kondensieren,
an dieser herunterlaufen und am unteren Rand der Mantelfläche abtropfen.
Die Höhe
der Mantelflächentemperaturen
ist nur dahingehend zu begrenzen, dass thermische Effekte, die zum
Beschädigen
oder Zerstören
der Mantelfläche
führen, vermieden
werden. So kann die Mantelfläche
beispielsweise auch zeitweise Temperaturen aufweisen, die oberhalb
der Verdampfungstemperatur des zu verdampfenden Materials liegen,
um das Verdampfen zu unterstützen
bzw. um Materialpartikel von der Mantelfläche zu entfernen.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der untere Rand der Mantelfläche derart ausgebildet ist,
dass das Abtropfen des kondensierten Materials unterstützt oder/und gezielt
an bestimmten Stellen des unteren Randes herbeigeführt wird.
So kann dieser beispielsweise sägezahnförmig ausgebildet
sein, um ein erwünschtes Abtropfen
des kondensierten Materials an den Zahnspitzen herbeizuführen.
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Um
die Mantelfläche
auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des zu verdampfenden Materials
zu halten, kann überwiegend
die entstehende Prozesswärme
genutzt werden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn der untere Rand
der Mantelfläche
oberhalb der Gefäßöffnung angeordnet
ist. Zum Erhitzen der Mantelfläche
oder von Teilflächen der
Mantelfläche
können
jedoch auch zusätzliche Heizeinrichtungen
wie beispielsweise Strahlungsheizer verwendet werden bzw. kann hierfür auch der Elektronenstrahl
zeitweise auf die Mantelfläche
abgelenkt werden.
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Die
Mantelfläche
kann derart gestaltet sein, dass das am unteren Rand der Mantelfläche abtropfende
Material wieder zurück
in das Gefäß gelangt und
somit dem Verdampfungsvorgang erneut zur Verfügung steht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Mantelfläche
so geformt, dass das abtropfende Material neben bzw. unter das Gefäß abgeführt wird, wobei
es ebenfalls vorteilhaft ist, wenn neben bzw. unter dem Gefäß ein entsprechendes
Auffangbehältnis
für das
abtropfende bzw. ablaufende Material bereitgestellt ist. Bei dieser
Ausführungsform
werden sowohl Verspritzungen durch in das Gefäß tropfendes Material als auch
mögliche
Materialaufhäufungen
am Gefäßrand vermieden.
Das sich im Auffangbehältnis
ansammelnde Material kann später
erneut einem Verdampfungsprozess zur Verfügung gestellt werden.
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Vorteilhaft
bei der Gestaltung einer Mantelfläche sind Formen, bei denen
die Mantelfläche
in Gefäßnähe den aufsteigenden
Materialdampf vollständig
umhüllt,
wobei sich der Querschnitt, den die Mantelfläche umschließt, zum
Substrat hin verkleinert. Der aufsteigende Materialdampf wird so
zum Substrat hin zentriert bzw. schlägt sich in den Randbereichen
der Dampfsäule
zwangsläufig
an der Mantelfläche
und nicht an anderen Anlagenkomponenten nieder und läuft an der
Mantelfläche
ab. Gleichzeitig wird auch der Streudampf aus den Randbereichen der
aufsteigenden Dampfsäule,
der sich negativ auf die Hafteigenschaften einer aufgedampften Schicht auswirken
kann, zum Substrat hin ausgeblendet. Derartig ausgebildete Mantelflächen können beispielsweise
die Form eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes aufweisen.
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Eine
Mantelfläche
kann jedoch auch in Form eines auf dem Kopf stehenden Kegel- oder
Pyramidenstumpfes, also in einer Form, bei der sich der von der
Mantelfläche
umschlossene Querschnitt zum Substrat hin vergrößert, ausgebildet sein.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Mantelfläche derart
gestaltet, dass die Fläche,
die der obere Rand der Mantelfläche
umschließt,
der Substratgröße bzw.
dem Beschichtungsfenster des zu beschichtenden Substrates entspricht.
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Neben
der Öffnung,
durch die der Elektronenstrahl hindurchtritt, kann die Mantelfläche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
weitere Öffnungen, beispielsweise
zum Beobachten des Prozesses oder für den Einlass eines Prozessgases,
aufweisen.
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Charakteristisch
für das
Elektronenstrahlverdampfen ist, dass – abhängig hauptsächlich vom Auftreffwinkel des
Elektronenstrahls auf dem Verdampfungsgut und von dessen Kernladungszahl – ein gewisser
Bruchteil der Elektronen nicht vom Verdampfungsgut absorbiert, sondern
in Analogie zum optischen Reflexionsgesetz von der Oberfläche des
Verdampfungsgutes rückgestreut
wird, was zum verstärkten
Erhitzen von Teilbereichen der Mantelfläche führen kann. Mittels entsprechender
Kühleinrichtungen
kann diesem thermischen Effekt entgegengewirkt werden.
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Da
die Mantelfläche
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Allgemeinen sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, ist es zweckmäßig, die
Mantelfläche
aus hitzebeständigem
Material wie beispielsweise Kohlenstoff oder aus einem hochschmelzenden
Material wie beispielsweise Wolfram, Molybdän oder einer Keramik herzustellen.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Fig. zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2a eine
schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Mantelfläche;
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2b eine
schematische Darstellung einer Seitenansicht einer alternativen
Mantelfläche.
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In 1 ist
schematisch eine Vorrichtung 1 zum Elektonenstrahlverdampfen
im Schnitt dargestellt. In einer Vakuumarbeitskammer 2 ist
ein in Pfeilrichtung bewegbares Substrat 3 angeordnet,
das mit einer Aluminiumschicht zu bedampfen ist. In einem Tiegel 4 befindet
sich das Verdampfungsgut 5 Aluminium, das mittels der Energie
eines von einer Elektronenstrahlkanone 6 erzeugten Elektronenstrahls 7 erhitzt
und verdampft wird.
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Die
vom Tiegel 4 aufsteigenden Dampfteilchen 8 werden
auf ihrem Weg zum Substrat 3 fast vollständig von
einer aus Kohlenstoff bestehenden Mantelfläche 9 umhüllt. Die
Mantelfläche 9 ist
in Form eines Pyramidenstumpfes ausgebildet und weist eine Öffnung 10 auf,
durch die der Elektronenstrahl 7 ausgehend von der Elektronenstrahlkanone 6 zum
Aluminiummaterial 5 hindurchtritt. Der obere Rand der pyramidenstumpfförmigen Mantelfläche 9 ist
in Form eines Beschichtungsfensters für das Substrat 3 ausgebildet.
Das Substrat 3 erreichen daher nur Dampfpartikel 8 aus
dem zentralen Bereich der aufsteigenden Aluminiumdampfsäule, in
dem eine hohe und annähernd
gleiche Dampfpartikeldichte vorherrscht. Die Randbereiche der Aluminiumdampfsäule mit
geringerer Partikeldichte werden durch die Mantelfläche 9 zum
Substrat hin ausgeblendet. In diesen Bereichen aufsteigender Aluminiumdampf
kondensiert an der Mantelfläche 9,
läuft an
dieser hinunter und tropft am unteren Rand der Mantelfläche 9 in
Auffangbehältnisse 11 ab
und kann später
erneut einem Verdampfungsprozess zur Verfügung gestellt werden.
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Die
Mantelfläche 9 wird überwiegend
mittels der Prozesswärme
auf Temperaturen gehalten, die oberhalb der Schmelztemperatur von
Aluminium liegen, damit der auf die Mantelfläche 9 auftreffende Materialdampf
an dieser kondensieren und ablaufen kann. Der untere Bereich der
Mantelfläche,
der nicht mittels der Prozesswärme
auf die erforderlichen Temperaturen erwärmbar ist, wird mittels Strahlungsheizern 12 auf
die erforderlichen Temperaturen erhitzt. Auf der der Elektronenstrahlkanone
zugewandten Seite wird der Elektronenstrahl zeitweise auf den unteren
Bereich der Mantelfläche
abgelenkt, um in diesem Bereich die gewünschten Mantelflächentemperaturen
einzustellen.
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In
einem Bereich der Mantelfläche 9,
in dem Rückstreuelektronen
des Elektronenstrahls 7 überwiegend einwirken, ist eine
wassergekühlte
Kupferplatte 13 angeordnet, welche die Mantelfläche 9 vor Beschädigung durch
zu hohe Temperaturen schützt.
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Die 2a und 2b zeigen
schematische Darstellungen von Seitenansichten alternativ geformter
Mantelflächen 14 bzw. 15.
Beide Mantelflächen 14; 15 weisen
die Form eines Pyramidenstumpfes auf, unterscheiden sich jedoch
in der Gestaltung derer unteren Ränder. Der untere Rand der Mantelfläche 14 ist
sägezahnförmig, der
von Mantelfläche 15 hingegen
wellenförmig
ausgebildet, so dass bei diesen Ausführungsformen ein gezieltes
Abtropfen von kondensiertem Material an den Sägezahnspitzen bzw. an den Wellentälern herbeigeführt wird.