-
Die
Erfindung bezieht sich auf das Anwendungsgebiet der physikalischen
Dampfabscheidung (PVD) zum Zwecke des Vakuumbeschichtens von Substraten
mit Funktionsschichten wie beispielsweise für den Korrosionsschutz, als
Dekor, zur EMV-Schirmung oder Wärmedämmung und
hier speziell auf eine Ausführungsform
der Dampfquelle, bei der der Dampf durch Heizen eines Verdampfungsgutes
mit Elektronenstrahlen aus Axialstrahlern erzeugt wird (nachfolgend
auch EB-PVD genannt).
-
Stand der Technik
-
Weit
verbreitete Dampfquellen der EB-PVD verfügen über so genannte „transverse
guns", bei denen
Strahlerzeugung, magnetische 270°-Strahlumlenkung
und Tiegel mit Verdampfungsgut zumeist in einem kompakten Funktionsblock
integriert sind.
-
Diese
Quellen sind relativ preiswert, jedoch in Ihrer maximalen Strahlleistung
von ca. 20 kW sowie Beschleunigungsspannung von ca. 20 kV und damit
auch der erzeugbaren Verdampfungsrate limitiert. Zudem befindet
sich die eigentliche Strahlquelle (Katode und Heizung) auf dem Druckniveau
einer Beschichtungskammer und ist den darin befindlichen Dämpfen und
Gasen (insbesondere bei reaktiver Prozessführung) direkt ausgesetzt. Infolgedessen muss
der Druck in der Beschichtungskammer durch entsprechend großzügige Dimensionierung
der Vakuumpumpen auf niedrigen Werten gehalten werden, um Instabilitäten im Betrieb
der Elektronenquelle zu vermeiden.
-
Eine
hinsichtlich der notwendigen Investitionskosten aufwändigere,
aber auch technologisch leistungsfähigere Variante der EB-PVD
ist durch den Einsatz von Axialstrahlern (
DE 44 28 508 A1 ) gegeben,
die für
Verdampfungsverfahren mit Strahlleistungen bis 300 kW und Beschleunigungsspannungen
bis 60 kV auslegbar sind. Derartige Strahlquellen werden durch Blenden
mit kleiner, zumeist kreisförmiger Öffnung für den Durchtritt
des Elektronenstrahls, die als Strömungswiderstände fungieren,
von der Prozesskammer getrennt und separat mit zusätzlichen
Hochvakuumpumpen evakuiert. Damit kann der Verdampfungsprozess auch
noch bei höheren Drücken in
der Beschichtungskammer ablaufen, und es werden größere Beschichtungsraten
erreicht. Allerdings ist insbesondere auf dem Arbeitsgebiet der Hochratebeschichtung
großflächiger Substrate
(wie zum Beispiel bei Bändern
und Platten) ein Direkteinschuss des Elektronenstrahls in einen
Verdampfertiegel auf Grund der geometrischen Verhältnisse
in der Beschichtungskammer mitunter nicht möglich. Der Axialstrahler wird
dann oft in horizontaler Einbauposition angeordnet, und der Elektronenstrahl
wird mit einem zusätzlichen
magnetischen Umlenksystem, welches mit dem Axialstrahler in einer
Vakuumkammerwand integriert ist, zum Tiegel mit dem Verdampfungsgut
geführt.
-
Derartige
Umlenksysteme – zumeist
auf der Basis stromdurchflossener Spulen mit feldformenden Polschuhen
realisiert – stellen
einen erheblichen Kostenfaktor dar, verzerren in negativer Weise
die Linearität
des Ablenkfeldes sowie den Fokus des Elektronenstrahls und sind
in ihrer Wirkung erheblich von der konkreten Materialwahl und Geometrie
der Beschichtungskammerwände
abhängig,
so dass diese für
jede Modifikation in der Bedampfungsanordnung zumeist neu optimiert
werden müssen.
-
Alle
thermischen Verdampfer, auch die elektronenstrahlbeheizten, weisen
eine relativ breite Verteilung der Startrichtungen der von der Oberfläche des
Verdampfungsgutes abgedampften Partikel auf, bis hin zu annähernd tangentialen
Anteilen. Das heißt,
ein erheblicher Anteil des Dampfstromes, der mit wachsendem Abstand
zwischen Dampfquelle und Substrat zunimmt, trifft nicht das Substrat,
sondern dessen Umgebung und scheidet sich dort in Form so genannter „Wilder
Schichten" ab. Neben dem
damit verbundenen Verlust an Beschichtungsgut führen die „Wilden Schichten" in der Beschichtungskammer
bei Batch-Anlagen
zu einer Verlängerung
der Evakuierungsdauer und bedeuten bei Inline-Anlagen ein Risiko
für die
Langzeitstabilität
des Prozesses. „Wilde
Schichten" müssen daher
bei beiden Anlagentypen von Zeit zu Zeit mit oft erheblichem Aufwand
aus der Beschichtungskammer entfernt werden.
-
Die
Dampfstromdichte Φ thermischer
Verdampfer weist eine charakteristische Abhängigkeit vom Winkel α zwischen
der Senkrechten der Verdampfungsgutoberflächen und der Startrichtung
der Dampfpartikel auf, die im einfachsten Fall eines Kleinflächenverdampfers
(Ausdehnung der Dampfquelle relativ klein gegenüber den Substratabmessungen
und dem Verdampfer-Substrat-Abstand) nach einem verallgemeinerten
Kosinusgesetz Φ(α) = Φ0·cosn(α) Gl. 1beschrieben
werden kann. Darin bezeichnet Φ0 die Dampfstromdichte senkrecht zur Oberfläche des
Verdampfungsgutes. Der Exponent n besitzt für die unterschiedlichen Verfahren
zur thermischen Verdampfung jeweils charakteristische Werte. Für Hochrate-Elektronenstrahl-Verdampfer
liegt er bei etwa 2,5. Aus Gl. 1 folgt unmittelbar, dass bei der
Beschichtung ausgedehnter Flachsubstrate mit Kleinflächenverdampfern
die Schichtdicke im Bereich des Durchstoßpunktes der Senkrechten der
Verdampfungsgutoberfläche
durch die Substratebene maximal ist und dann mit wachsendem lateralen
Abstand davon abnimmt.
-
Für das Erzielen
sehr gleichmäßiger Schichten
auf kleinen Substraten wird daher üblicherweise mit einem konkav
gekrümmten
großflächigen Substrathalter
gearbeitet, auf dem die einzelnen Substrate in Ebenen annähernd konstanter
Dampfstromdichte über
dem Verdampfer angeordnet sind und stationär beschichtet werden können. Diese
Herangehensweise ist für
großflächige Flachsubstrate
nicht praktikabel.
-
Bei
Flachsubstraten lässt
sich die Gleichmäßigkeit
der abgeschiedenen Schichtdicken durch Erhöhen des Abstandes zum Verdampfer
in einfacher Weise verbessern. Allerdings sinkt dabei die Dampfausbeute
(Verhältnis
der auf dem Substrat abgeschiedenen zur insgesamt verdampften Materialmenge),
während
die Anforderungen an das Vakuumsystem der Beschichtungskammer (niedrigerer Restgasdruck
erforderlich) und an deren Größe aufgrund
des hierfür
benötigten
Bauraumes steigen.
-
Ein
vielfach praktizierter Weg zur Verbesserung der Homogenität der Schichtdicke
auf großflächigen Substraten
bei moderatem Abstand zum Verdampfer ist es, mehrere Kleinflächenverdampfer über die
Substratdimension räumlich
verteilt anzuordnen und deren individuelle Dampfstromdichteverteilungen
in der Substratebene geeignet zu superponieren. Dieses Verfahren
bringt einen erhöhten
apparativen Aufwand mit sich.
-
Speziell
im Fall der Elektronenstrahl-Verdampfung mit leistungsstarken Axialstrahlern
wird meist eine andere Lösungsstrategie
verfolgt. Diese besteht darin, die Ausdehnung des mit Verdampfungsgut
gefüllten
Tiegels an die Substratdimensionen anzupassen. Durch eine großflächige, zweidimensionale
und zeitabhängige,
dynamische Ablenkung des Elektronenstrahls, mitunter kombiniert
mit einem statischen magnetischen Umlenkfeld, kann der Zeitmittelwert
der vom Elektronenstrahl lokal in einen Oberflächenbereich des Verdampfungsgutes eingestrahlten
Energie und damit auch der lokalen Verdampfungsrate gesteuert werden.
Dieses Verfahren führt,
insbesondere falls das Verdampfungsgut nicht sublimierend verdampft,
sondern ein auf Grund des Wärmeausgleichs
durch Leitung und Konvektion aus gedehntes Schmelzbad ausbildet,
zu einer erhöhten
thermischen Belastung der Substrate durch Wärmestrahlung.
-
Ein
weiterer Weg zur gleichmäßigeren
Verteilung der Schichtdicke, das für im Vorschubverfahren beschichtete
Substrate mitunter angewandt wird, ist das Anordnen einer speziellen
Blende in der Beschichtungskammer zwischen Verdampfer und Substrat,
die in Transportrichtung des Substrates unterschiedliche Öffnungsweiten
besitzt (kleine Öffnungsweite
im Zentrum des Substrates und zu den Rändern hin zunehmende Öffnungsweite).
Diese so genannte „Hundeknochenblende" führt allerdings
auch zu einer weiteren Verringerung der Dampfausbeute, da das von
einer ungeheizten Blende zurückgehaltene
Material nicht wieder in den Verdampfer zurückgeführt werden kann.
-
Charakteristisch
für das
Elektronenstrahlverdampfen ist, dass – abhängig hauptsächlich vom Auftreffwinkel des
Elektronenstrahls auf dem Verdampfungsgut und von dessen Kernladungszahl – ein gewisser
Bruchteil der Elektronen vom Verdampfungsgut nicht absorbiert, sondern
zurückgestreut
wird. Diese Rückstreuelektronen
transportieren eine erhebliche Energiemenge, die dem Verdampfungsprozess
entzogen wird und zudem zur meist unerwünschten thermischen Belastung
des Substrates beiträgt.
Zur Fernhaltung dieser Rückstreuelektronen von
temperatur- oder ladungsempfindlichen Substraten müssen daher
zusätzliche
Einrichtungen zur Erzeugung magnetischer Abschirmfelder in die Beschichtungskammer
integriert werden, die auch als „Magnetfallen" bezeichnet werden.
-
Die
charakteristische Bewegungsenergie Ekin durch
thermisches Verdampfen erzeugter Partikel ist zur Verdampfungstemperatur
TV proportional gemäß Ekin = kB·TV Gl.
2
-
Mit
der Boltzmannkonstanten kB ergibt sich so
beispielsweise für
eine Verdampfungstemperatur von TV = 3000
K eine charakteristische Bewegungsenergie von Ekin =
0.25 eV.
-
Diese
Bewegungsenergie ist um mehr als eine Größenordnung kleiner als die
beim alternativen PVD-Verfahren des Magnetronsputterns auftretenden
Partikelenergien. Folgerichtig muss ein thermisches Verdampfen,
insbesondere bei hohen Beschichtungsraten, oft mit zusätzlichen
Einrichtungen zum Erhöhen
der Teilchenenergie kombiniert werden, um haftfeste und dichte Schichten
zu erzielen.
-
Ein
etabliertes Verfahren ist die so genannte „plasmaaktivierte Verdampfung" (
DE 43 36 681 A1 ). Hierbei
wird mittels einer zusätzlichen
Plasmaquelle (zumeist Bogenentladungs- oder HF-Quellen) zwischen
Verdampfer und Substrat ein dichtes Plasma erzeugt. Beim Durchqueren
dieses Plasmas wird ein Teil der Dampfpartikel ionisiert und auf
Grund der elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Bulk-Plasma
und dem Substrat (im einfachsten Fall durch den Selbstbias-Effekt,
optional verstärkt
durch Anlegen externer Bias-Spannungen
(
US 3,791,852 )) in der
Randschicht des Plasmas zum Substrat hin beschleunigt, wodurch die
mittlere Energie der kondensierenden Teilchen ansteigt und sich
die Schichtqualität
auch bei hohen Kondensationsraten deutlich verbessert.
-
Nachteilig
bei dieser Anordnung ist, dass diese einen gewichtigen technologischen
Vorteil des thermischen Verdampfens, nämlich die – bezogen auf gleiche dynamische
Beschichtungsraten – gegenüber dem
Sputterverfahren deutlich (um den Faktor 2 bis 3) niedrigere thermische
Substratbelastung teilweise zunichte macht. Das resultiert aus den
bei diesem Aktivierungsmechanismus in Substratnähe notwendigerweise hohen Plasmadichten
und daraus folgender zusätzlicher
thermischer Substratbelastung.
-
Aufgabenstellung
-
Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung
zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik bei Elektronenstrahlverdampfern überwunden
werden können.
Insbesondere soll die Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik einen
kompakten und preiswerten mechanischen Aufbau, lange Beschichtungsdauern
und Wartungsintervalle, minimale magnetische Interferenzen mit der
Beschichtungskammer, einen hohen Dampfausnutzungsgrad am Substrat,
wenig „Wilde
Schichten", eine
minimale thermische Substratbelastung durch Wärmestrahlung oder Rückstreuelektronen,
eine Gleichmäßigkeit
der Schichtdicke bei geringem Verdampfer-Substrat-Abstand, eine
reduzierte Spritzerbildung bei Tiegeln mit Materialnachfütterung
sowie universelle Einbaulösungen
ermöglichen.
-
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.
-
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Elektronenstrahlverdampfen umfasst eine Vakuumarbeitskammer,
einen Axialstrahler zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mittels
dem ein zu verdampfendes Material erhitzbar ist und eine zwischen
dem Material und einem zu beschichtenden Substrat angeordnete Blende,
welche mindestens eine Dampfapertur aufweist, durch die Materialdampf
zum Substrat gelangt, wobei die Blende ein Magnetsystem umfasst,
mittels dem der Elektronenstrahl durch die Dampfapertur auf das
zu verdampfende Material ablenkbar ist.
-
Das
Verdampfen des Materials kann entweder tiegellos (zum Beispiel für sublimierende
Materialien von einem rotierenden Zylinder) oder aus einem Gefäß erfolgen,
das wiederum beispielsweise als wassergekühlter Kupfertiegel mit Strangnachschub oder
als thermisch isolierter Block (so genannter „heißer Tiegel", ohne oder mit Materialzufuhr zum Beispiel über einen
Drahtvorschub) ausführbar
ist.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Blende zwischen einem Gefäß mit Verdampfungsgut und Substrat,
nur wenige Zentimeter über der
Oberkante des Gefäßes, angeordnet
und als horizontale Verbund-Abdeckplatte des Gefäßes ausgebildet, die gefäßseitig
aus einer ersten Schicht temperaturbeständigen Materials mit niedriger
Wärmeleitfähigkeit
(zum Beispiel Graphitfilz, Granulatschüttung, Kiespackung) und unmittelbar
darüber
aus einer zweiten Schicht wassergekühlten Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit
(zum Beispiel Kupfer, Massivgraphit, Aluminium, Edelstahl) besteht,
innerhalb der das magnetische Ablenksystem für den Elektronenstrahl (bestehend
aus stromdurchflossenen, längsgestreckten
Spulen oder Permanentmagnet-Stäben)
angeordnet ist. Alternativ kann die Abdeckplatte auch direkt auf
dem Gefäß als eine
Art Gefäßdeckel
angeordnet sein.
-
Die
wärmeisolierende
erste Schicht der Verbund-Abdeckplatte wird so dimensioniert, dass
sich auf Grund des Wärmeeintrages
vom eigentlichen Verdampfungsort bzw. der Oberfläche des Verdampfungsgutes her
(Wärmestrahlung,
Rückstreuelektronen,
Kondensationswärme)
oder durch zusätzliche Beheizung
(zum Beispiel mit Strahlungsheizer oder durch geeignete Ablenkung
des primären
Elektronenstrahls auf mit der Verbund-Abdeckplatte gekoppelte Absorber)
an Ihrer Unterseite eine Temperatur einstellt, die einerseits genügend hoch
ist, um ein Aufwachsen von Schichten des Verdampfungsgutes zu verhindern
(im Fall schmelzenden Verdampfungsgutes, zum Beispiel durch Kondensation
des Dampfes und Abtropfen/Ablaufen der gebildeten flüssigen Phase
zurück
in das Gefäß), die
andererseits aber so niedrig ist, dass eine thermische Schädigung noch nicht
auftritt. Als Wärmesenke
für eine
definierte Kühlung
der Oberseite der wärmeisolierenden
ersten Schicht der Verbund-Abdeckplatte
dient dabei die darüberliegende
zweite Schicht wassergekühlten Materials
mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
ggf. mit Zwischenschaltung eines Strahlungswärmeüberganges. Ein Strahlungswärmeübergang
kann beispielsweise mittels Abstandhalten zwischen beiden Schichten realisiert
werden.
-
In
der Blende befinden sich weiterhin eine oder mehrere Öffnungen,
durch die der im Gefäß gebildete
Dampf hindurchtreten und das Substrat erreichen kann. Diese Öffnungen – auch als
Dampfapertur bezeichnet – werden
so geformt (im einfachsten Falle rechteckig) und bemessen, dass
von den mit breiter Richtungsverteilung an der dampfabgebenden Oberfläche des
Verdampfungsgutes freigesetzten Dampfteilchen überwiegend nur die auf das
Substrat gerichteten Dampfteilchen eine Dampfapertur passieren können, während die
anderen Dampfteilchen von der Blende zurückgehalten werden.
-
Neben
einer plattenförmig
ausgebildeten Blende kann die Blende einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
jedoch beispielsweise auch haubenförmig ausgebildet und über dem
zu verdampfenden Material angeordnet sein. Es sind auch Ausführungsformen
möglich,
bei denen die Blende das zu verdampfende Material teilweise oder
vollständig
umhüllt.
-
Für im Vorschubverfahren
zu beschichtende Substrate ist es aber auch möglich, die Dampfapertur einer
Blende so zu formen, beispielsweise mittels Abdeckzungen, dass ein
bestimmter Anteil des Dampfstromes, insbesondere aus den zentralen
Bereichen der Dampfdichteverteilung, unmittelbar über der dampfabgebenden
Oberfläche
im Verdampfer zurückgehalten
wird und nicht in die Kammer oder zum Substrat gelangt. Dies kann
beispielsweise mit so genannten Abdeckzungen realisiert werden,
wobei die Abdeckzungen derart angeordnet sein können, dass sie vom primären Elektronenstrahl
bei geeigneter programmierter Ablenkung getroffen und dadurch erhitzt
werden können.
Das an den Abdeckzungen abgeschiedene Material wird dabei durch
Sublimation oder Schmelzen und Abtropfen von heißen Abdeckzungen entfernt,
diese somit gereinigt und das ursprünglich zurückgehaltene Material wieder
dem Verdampfungsprozess zugeführt.
-
Gleichzeitig
bildet eine Dampfapertur bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung den Einschusskanal
für den
Elektronenstrahl. Unmittelbar an der einschussseitigen wie auch
an der gegenüberliegenden
Kante der Dampfapertur, und damit hinreichend weit von den Wänden der
Beschichtungskammer entfernt, sind Magnete (Permanentmagnete oder Magnetspulen)
angeordnet, die starke lokalisierte Magnetfelder (mit Hauptkomponenten
in horizontaler Ebene und senkrecht zur Strahleinschussrichtung) erzeugen.
Damit können
lokal sehr kleine Bahnkrümmungsradien
des primären
Elektronenstrahls bei Umlenkwinkeln bis zweckmäßigerweise 90° realisiert werden.
Bei bekannten Einrichtungen, bei denen das Magnetsystem zum Ablenken
des Elektronenstrahls direkt am Axialstrahler und/oder in einer
Kammerwand angeordnet ist, sind derart enge Biegeradien des Elektronenstrahls
durch eine Dampfapertur hindurch nicht realisierbar.
-
Bei
einer Ausführungsform
besteht das Magnetsystem zum Ablenken des Elektronenstrahls aus zwei
Teilkomponenten, von denen eine Teilkomponente in Elektronenstrahlrichtung
betrachtet vor einer Dampfapertur und eine Teilkomponente nach der Dampfapertur
angeordnet ist. Die vom Axialstrahler weiter entfernt angeordnete
Magnetsystemkomponente kann so bemessen sein, dass diese überwiegend
die in Analogie zum optischen Reflexionsgesetz von der Oberfläche des
Verdampfungsgutes emittierten Rückstreu-
und Sekundärelektronen
beeinflusst, weniger stark aber den primären Elektronenstrahl. Da zudem
der Hauptbereich des Energiespektrums der sekundären Elektronen bei Energien deutlich
unter der des primären
Elektronenstrahls liegt, können
für diese
Elektronen überwiegend
noch wesentlich kleinere Bahnkrümmungsradien
als für den
primären
Elektronenstrahl eingestellt werden. Ein hoher prozentualer Anteil
der Rückstreuelektronen
wird daher im Bereich zwischen der Oberfläche des Verdampfungsgutes und
der Blende zurückgehalten.
-
Soll
die Verdampfung aus einem Tiegel mit Materialnachfütterung
erfolgen, können
die nicht unmittelbar unter einer Dampfapertur gelegenen Oberflächenbereiche
des Verdampfungsgutes vorteilhafterweise zur Zufuhr neuen Verdampfungsmateriales genutzt
werden. Dabei sollten die Oberflächen
dieser Nachfütterungszonen
durch temperaturbeständige und
chemisch inaktive Barrieren von denen der Hauptverdampfungszonen
getrennt werden, um in der Schmelzphase möglicherweise aufschwimmende
leichte Verunreinigungen des Fütterungsmateriales
vom direkten Einwirkbereich des Elektronenstrahls fernzuhalten.
-
Ein
Verdampfer kann ferner so gestaltet werden, dass eine elektrische
Kontaktierung des Verdampfungsgutes, ggf. durch Kontaktierung des
Gefäßes sowie
der Blende, möglich
ist und eine Gasentladung beispielsweise in Form einer Bogenentladung zur
Ionisierung des Dampfes gezündet
werden kann. Die Ausbildung und Stabilität dieser Entladung kann durch
Integration eines geeigneten Elektronenspenders (zum Beispiel eine
zusätzliche Hohlkatode,
Nutzung eines stromgeheizten Wolframdrahtes oder der vom Elektronenstrahl
heizbaren Abdeckzungen in der Dampfapertur als thermionische Emitter)
gefördert
werden. Eine Beschleunigung der gebildeten Ionen erfolgt dabei bereits
durch das sich im nicht-homogenen
Magnetfeld in der Nähe
der Dampfapertur einstellende elektrische Feld.
-
Auf
diese Weise wird ein Elektronenstrahlverdampfer realisiert, bei
dem das magnetische Umlenkfeld in kompakter Weise direkt in die
Verdampfer-Baugruppe integriert sowie geeignet abgeschirmt ist und
dadurch wenig oder gar nicht mit den Wänden und Einbauten einer Beschichtungskammer
interferiert. Damit wird ein Verdampfer, umfassend ein zu verdampfendes
Material (mit oder ohne Gefäß) und eine
Blende mit Dampfapertur und integriertem Magnetsystem, zu einer
Universalbaugruppe, die weitgehend unabhängig von der jeweils konkreten
Einbausituation in einer Vakuumkammer ist, die in einfacher Weise
an unterschiedliche Beschichtungskammern angepasst werden kann und
den oft wünschenswerten
horizontalen Einbau einer Elektronenstrahlkanone ermöglicht.
-
Eine
erfindungsgemäße Realisierung
des magnetischen Umlenkfeldes eines Elektronenstrahls an oder innerhalb
einer Blende in unmittelbarer Nähe des
zu verdampfenden Materials erlaubt zudem auch eine Steuerung der
Richtungsverteilung bzw. der Trajektorien der Rückstreuelektronen. Das kann
im einfachsten Fall der Abschirmung des Substrates gegenüber den
Rückstreuelektronen
durch deren Ablenkung zu einer Kammerwand oder der Blende hin dienen,
wodurch die thermische Substratbelastung reduziert wird.
-
Es
sind aber auch Magnetanordnungen und daraus resultierende Trajektorien
denkbar, bei denen die Rückstreuelektronen
nahezu vollständig
im Bereich zwischen Verdampfungsgut und Tiegelabdeckung verbleiben
und dort Ihre Energie nutzbringend abgeben, was zu einer Verbesserung
des thermischen Wirkungsgrades des Verdampfers führt.
-
Zudem
wächst
auf Grund der erhöhten
Dichte niederenergetischer Rückstreu-
und Sekundärelektronen
im Verdampfungsbereich die Wahrscheinlichkeit der Ionisierung von
Dampfteilchen unmittelbar in Nähe
des verdampfenden Materials. Auf Grund der Inhomogenität des Magnetfeldes
kann sich dann ein vertikaler Gradient des elektrischen Potentials über dem
Verdampfer ausbilden, der zur Beschleunigung von Ionen zum Substrat
hin führt.
Dieser Mechanismus erfordert, im Unterschied zur oben beschriebenen
Aktivierung durch Beschleunigung des Ionenanteils im Dampf innerhalb
der Grenzschicht zwischen Plasma und Substrat, keine hohen Plasmadichten
am Substrat, wodurch eine Verbesserung der Schichtqualität bei deutlich
weniger erhöhter
thermischer Belastung erzielt wird.
-
Eine
geeignet geformte Dampfapertur in einer Blende erlaubt gleichzeitig
den Eintritt des Elektronenstrahls zur Oberfläche des Verdampfungsgutes hin
wie auch den Austritt des Dampfes. Wegen der speziellen Anordnung
und Dimensionierung des an oder in der Blende integrierten magnetischen
Umlenksystems für
den Elektronenstrahl können
diese Öffnungen
sehr klein gehalten werden. Damit ist es möglich, Dampfströme zu realisieren,
bei denen überwiegend
Materialdampf durch die Dampfapertur gelangt, der das Substrat erreicht,
nicht aber dessen Umgebung. Dadurch wird einerseits eine längere Betriebsdauer
bei gegebenem Materialvorrat erzielt und andererseits das Ausbilden „Wilder
Schichten" unterdrückt, was
gleichbedeutend mit längeren
Wartungsintervallen ist.
-
Geeignet
geformte und mit dem Elektronenstrahl beheizbare Abdeckzungen als
Bestandteil einer Blende zum Formen einer Dampfapertur gestatten
das Ausblenden bestimmter Anteile des von der Dampfquelle erzeugten
Dampfstromes. Dadurch kann die Dampfstromdichteverteilung außerhalb
des Verdampfers, die ohne diese Zusatzmaßnahme der verallgemeinerten
Kosinusverteilung nach Gl. 1 genügt,
derart modifiziert (gewissermaßen „egalisiert") werden, dass für eine gegebene
Anzahl von unter einem ausgedehnten, im Vorschubverfahren zu beschichtenden
Substrat angeordneten Dampfquellen und vom jeweiligen Anwendungsfall
geforderte laterale Homogenität
der Schichtdicke mit erheblich kleineren Verdampfer-Substrat-Abständen gearbeitet werden
kann, wodurch Abmessungen einer Beschichtungskammer minimiert werden
können.
-
Die
von einer Blende zurückgehaltenen
Anteile des Dampfstromes gehen dabei nicht als „Wilde Schichten" innerhalb einer
Vakuumkammer verloren, sondern werden im Verdampfer zurückgehalten,
was auch zu einer Verbesserung des Dampfausnutzungsgrades führt.
-
Aufgrund
der als Strahlungsschirm wirkenden geschlossenen Teilbereiche der
Blende, die einen Verdampfertiegel zum Substrat hin abdecken, wird
auch die thermische Belastung eines Substrates reduziert.
-
Insbesondere
bei Gefäßen mit
Materialnachfütterung,
die zu verstärkter
Spritzerbildung auf Grund von Verunreinigungen mit hohem Dampfdruck im
Futtermaterial neigen, können
die abgedeckten und mit einer Barriere vom direkten Einwirkbereich des
Elektronenstrahls abgetrennten Bereiche des Tiegels als Zuführungszonen
für das
Futtermaterial verwendet und das zugeführte Material vor der eigentlichen
Verdampfung zunächst
der reinigenden Wirkung des Vakuums (beispielsweise durch Entgasung,
fraktionierte Destillation, Sedimentation oder Floatation) unterworfen
werden. Die dabei eventuell auftretende Verspritzung von Material
ist unschädlich,
da die Spritzer von der Blende zurückgehalten werden und das Substrat
nicht erreichen, wodurch bezüglich
eines zu beschichtenden Substrates eine spritzerfreie, stabilere
Verdampfung auch bei Tiegeln mit Materialnachfütterung realisiert wird, deren
Beschichtungsdauer nicht durch den Materialvorrat in einem Tiegel
limitiert ist.
-
Ausführungsbeispiel
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Fig. zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2 eine
schematische Darstellung einer Blende mit Dampfapertur.
-
In 1 ist
schematisch eine Vorrichtung 1 dargestellt, mittels der
innerhalb einer Vakuumarbeitskammer 2 auf einem Substrat 3,
einer Polycarbonatplatte, eine Kupferschicht aufgedampft werden soll,
wobei der Pfeil über
Substrat 3 die Bewegungsrichtung des Substrates angibt.
In einem Graphittiegel 4 befindet sich das zu verdampfende
Kupfermaterial 5, welches mittels eines von einem Axialstrahler 6 erzeugten
Elektronenstrahls 7 erhitzt wird. Der Tiegel 7 ist
zur thermischen Isolation in eine Schicht 8 aus Quarzkies
eingebettet.
-
Oberhalb
des Tiegels 4 ist eine Blende 9 in Form einer
Abdeckplatte für
Tiegel 4 angeordnet, welche eine Dampfapertur 10 aufweist,
durch die Kupferdampfpartikel 11 vom Tiegel 4 zum
Substrat 3 hin aufsteigen können. Blende 9 umfasst
zwei Schichten 12 und 13. Die dem Kupfermaterial 5 zugewandte
Schicht 12 besteht aus 40 mm dickem Graphitfilz. Schicht 13 ist
eine 30 mm dicke, wassergekühlte
Kupferplatte. Die Kupferplatte umfasst ein Magnetsystem 14,
bestehend aus in die Kupferplatte eingelassenen Permanentmagnetstäben 15 mit
einem Durchmesser von 20 mm, die den Elektronenstrahl 7 durch
die Dampfapertur 10 hindurch auf die Oberfläche des
Kupfermaterials 5 ablenken, um das Kupfermaterial zu verdampfen.
Aufgrund der Position der Permanentmagnetstäbe 15 innerhalb der
Blende 8 in unmittelbarer Nähe zur Dampfapertur 10 sind sehr
enge Biegeradien des Elektronenstrahls 7 durch Dampfapertur 10 hindurch
realisierbar.
-
Dadurch,
dass die Blende 9 als Deckel für den Tiegel 9 ausgebildet
ist, können
die Kupferdampfpartikel 11 den Tiegel 9 nur durch
Dampfapertur 10 hindurch in Richtung Substrat 3 verlassen,
wodurch zum einen das Ausbilden „Wilder Schichten" verhindert und zum
anderen ein Großteil
der Prozesswärme
im Bereich zwischen Abdeckplatte 9 und Tiegel 4 zurückgehalten
wird, was zu einer höheren Prozesseffizienz
führt.
-
Das
Magnetsystem 14 besteht aus zwei Teilmengen von Permanentmagnetstäben 15,
von denen eine erste Teilmenge in Elektronenstrahlrichtung betrachtet
vor Dampfapertur 10 und eine zweite Teilmenge nach Dampfapertur 10 angeordnet
ist. Dabei weist die zweite Teilmenge über die Anzahl der Permanentmagnetstäbe 15 ein
stärkeres
Gesamtmagnetfeld auf als die erste Teilmenge, um gleichzeitig die
Rückstreu-
und Sekundärelektronen
in den Bereich zwischen Blende 9 und Kupfermaterial 5 abzulenken.
-
Innerhalb
der Quarzkiesschicht 8 sind weitere Permanentmagnetstäbe 16 unterhalb
der Dampfapertur 10 eingelassen, welche bewirken, dass
der Elektronenstrahl 7 mit einem noch steileren Winkel auf
die Oberfläche
des Kupfermaterials 5 auftritt. Alle Permanentmagnetstäbe 15 und 16 sind
mit gleicher Polarität
ausgerichtet.
-
2 zeigt
in schematischer Darstellung die Draufsicht auf eine Blende 20 mit
Dampfapertur 21, so wie sie auch in einer Vorrichtung gemäß 1 einsetzbar
ist. Der Pfeil gibt auch hier die Bewegungsrichtung eines zu beschichtenden
Substrates an. Blende 20 weist eine Zunge 22 auf,
die die Öffnungsweite
der Apertur 21 in Bewegungsrichtung eines Substrates betrachtet
zur Mitte hin verringert. Dadurch wird ein zentraler Bereich des
zu einem Substrat aufsteigenden Dampfstromes ausgeblendet und somit
eine gleichmäßigere Schichtdickenverteilung über die
Breite des Substrates erzielt. Vorteilhaft ist es, wenn der Elektronenstrahl
zum Verdampfen eines Materials zeitweise auf Zunge 22 ablenkbar
ist, damit diese erhitzt wird, so dass Materialdampf, der sich an
Zunge 22 abscheidet, an dieser kondensiert und wieder zurück in das
Gefäß für das zu
verdampfende Material gelangt.
-
In
das Gefäß zurücktropfendes
Material ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht so kritisch
wie bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, weil auf Grund
der geringeren Krümmungsradien
des Elektronenstrahls bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch nur kleinere
Dampfaperturöffnungen
benötigt
werden, so dass durch zurücktropfendes
Material verursachte Verspritzungen zum Substrat hin reduziert werden.