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Die
Erfindung bezieht sich auf das Anwendungsgebiet der physikalischen
Dampfabscheidung (PVD) zum Zwecke des Vakuumbeschichtens von Substraten,
wobei eine Schicht auf Substraten abgeschieden wird, indem das Schichtmaterial
in einer Vakuumkammer durch Erhitzen verdampft wird.
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Stand der Technik
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Es
sind verschiedene Vorrichtungen zum Verdampfen eines Materials im
Vakuum bekannt. Bei den meisten Anwendungen befindet sich das zu
verdampfende Material in einem Gefäß und wird
dort durch Zuführen von Energie in den dampfförmigen Zustand überführt,
wobei sich die dann aufsteigenden Dampfpartikel auf der Oberfläche
eines zu beschichtenden Substrates niederschlagen. Die Energie zum
Verdampfen des Materials kann dem Material auf vielfältige
Weise zugeführt werden. So sind Vorrichtungen bekannt,
bei denen die Hitze zum Verdampfen des Materials beispielsweise
mittels Stromdurchfluss (
DE
195 48 160 C1 ), mittels eines Elektronenstrahls (
DE 10 2006 023 463
A1 ) oder mittels einer Bogenentladung erzeugt wird.
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Auch
unterscheiden sich Vorrichtungen zum Vakuumbedampfen in der Art
und Weise, wie ein Gefäß mit dem zu verdampfenden
Material bestückt wird. Bei einer Gruppe bekannter Vorrichtungen
wird das zu verdampfende Material während des Verdampfens
im Gefäß ständig oder periodisch nachgefüllt
(
DE 196 12 345 C1 ).
Das Nachfüllen des Schichtmaterials bewirkt jedoch oftmals
Schwankungen bei den Abscheidebedingungen, beispielsweise durch Spritzer
des verflüssigten Materials, und somit Schwankungen bei
den Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht.
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Bei
Anwendungen, bei denen hohe Anforderungen bezüglich homogener
Schichteigenschaften bestehen, wird daher oftmals kein Material
während eines Verdampfungsvorgangs nachgefüllt,
sondern das hierbei verwendete Verdampfergefäß (auch
Tiegel genannt) wird einmal mit Material gefüllt und anschließend
der Verdampfungsprozess maximal nur so lange betrieben, bis keine
hinreichende Menge an Verdampfungsgut mehr im Gefäß ist.
Bei derartigen Vorrichtungen schließt sich insbesondere
bei nicht reaktiven Verdampfungsprozessen, bei denen beispielsweise
eine reine Metallschicht abgeschieden werden soll, nach dem Verdampfen
eine Zeitspanne an, in der das Verdampfergefäß zunächst
einmal abkühlen muss, bevor die Vakuumkammer geöffnet
und das Gefäß erneut mit Material befüllt
werden kann, weil bei noch heißem Tiegel sowohl der Tiegel
als auch das noch im Tiegel befindliche Restmaterial stärker
oxidativen Veränderungen unterliegt als wenn Tiegel und
Restmaterial abgekühlt sind. Das Oxidieren würde
den Tiegel und das Restmaterial für weitere Beschichtungsaufgaben
zum Abscheiden einer reinen Metallschicht unbrauchbar machen.
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In
Abhängigkeit vom Verdampfungsgut unterscheiden sich die
zum Verdampfen verwendeten Tiegel in deren Material, denn das Material
des Tiegels darf beim Verdampfen keine unerwünschten chemischen
Reaktionen mit dem Verdampfungsgut eingehen. Beim nichtreaktiven
Verdampfen von Aluminium mit einem Elektronenstrahl kommen oftmals Kupfertiegel
zum Einsatz, die mit Wasser gekühlt werden. Ein derart
gekühlter Tiegel wird auch als „kalter Tiegel” bezeichnet.
Im Gegensatz dazu sind auch sogenannte „heiße
Tiegel” bekannt, die während des Verdampfens keiner
starken aktiven Kühlung unterzogen werden.
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Ein
weiteres Problem bei Vakuumverdampfern allgemein ergibt sich hinsichtlich
der Energiebilanz. Es ist natürlich wünschenswert,
wenn möglichst viel der zugeführten Energie zum
Verdampfen des Schichtmaterials verwendet wird, d. h., das Verdampfergefäß soll
möglichst wenig Wärmeenergie abstrahlen. Beim
Verdampfen von Aluminium in einem gekühlten Kupfertiegel
wird jedoch etwa 80% der Wärmeenergie durch das Kühlwasser
entzogen. Dieser Nachteil wird jedoch in Kauf genommen, weil ein Kupfertiegel
relativ preiswert in der Anschaffung ist und Kupfer aus chemischer
Sicht hervorragend für das nichtreaktive Verdampfen von
Aluminium geeignet ist.
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Bei
heißen Tiegeln kann die Wärmebilanz verbessert
werden, wenn der Tiegel mit wärmedämmendem Material
ummantelt wird (
DE
10 2006 031 244 A1 ). Ein Nachteil dieser Vorgehensweise
besteht darin, dass sich bei einem wärmegedämmten
Tiegel lange Abkühlzeiten des Tiegels ergeben. Die Zeitspanne
des Abkühlens dauert mehrere Stunden und beträgt
nicht selten mehr als 8 Stunden. Von der Größe
her sind derartige Verdampfertiegel daher oftmals so dimensioniert,
dass die Befüllung mit Material für das Beschichten
von Substraten in der Zeitspanne eines Arbeitstages ausreicht. Die
unproduktive Zeit in der Nacht wird dann zum Abkühlen des
Tiegels genutzt, so dass zu Beginn des nächsten Arbeitstages der
Tiegel erneut mit Material befüllt und für Beschichtungsaufgaben
verwendet werden kann. Ein weiterer Nachteil solcher Vorrichtungen
besteht darin, dass diese nicht mehrschichtig betrieben werden können,
weil eine üblicherweise etwa 8 Stunden dauernde Arbeitsschicht
allein für das Abkühlen des Tiegels benötigt
wird und somit unproduktiv verstreicht.
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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. Sie müssen daher bei beiden Anlagentypen
mit oft erheblichem Aufwand von Zeit zu Zeit aus der Beschichtungskammer
entfernt werden.
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Bei
der Abscheidung hochreiner Schichten, zum Beispiel von Kupfer für
elektronische Anwendungen oder von Silizium als Absorber in photovoltaischen
Schichtsystemen, werden höchste Anforderungen an die Reinheit
des Verdampfungsgutes gestellt. Entsprechende Ausgangsmaterialien
sind sehr teuer oder durch konventionelle metallurgische Verfahren
nicht darstellbar oder werden bereits durch Lagerung und Handling
an Luft in unzulässiger Weise kontaminiert.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung
zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik überwunden
werden können. Insbesondere soll die Vorrichtung gegenüber
dem Stand der Technik verkürzte Abkühlzeiten eines
Verdampfergefäßes nach einem Verdampfungsvorgang
ermöglichen. Des Weiteren soll es die erfindungsgemäße
Vorrichtung ermöglichen, das Abscheiden „Wilder
Schichten” in einer Prozesskammer zu reduzieren und die
Form der aufsteigenden, aus verdampften Partikeln bestehenden Dampfwolke
insbesondere in den Außenbereichen zu modellieren.
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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 Verdampfen eines
Materials innerhalb einer Vakuumkammer umfasst ein Gefäß,
in welchem das Material verdampfbar ist, wobei zumindest ein Flächenbereich
der Außenwandung des Gefäßes mit einer
wärmedämmenden Schicht bedeckt ist. Die wärmedämmende
Schicht ist dabei porös ausgebildet oder/und mit einem
Spalt von der Außenwandung des Gefäßes
beabstandet, wobei mittels einer Einrichtung ein Gas durch die Poren
der wärmedämmenden Schicht oder/und durch den
Spalt förderbar ist.
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Die
Porosität der wärmedämmenden Schicht bewirkt
zunächst, dass deren integrales Wärmeleitvermögen
signifikant vom innerhalb der Poren herrschenden Gasdruck und der
Art des Gases abhängt. Ein erhöhter Gasdruck innerhalb
der Poren führt zu einer Verbesserung des Wärmeleitvermögens.
Der Gasdruck in den Poren wiederum lässt sich einerseits
bei laufenden Vakuumpumpen durch Variation des Gasflusses (praktikabel
ist ein Gasfluss in einem Bereich zwischen 0 sccm und 1000 sccm)
und andererseits bei ausgeschalteten Vakuumpumpen durch hydrostatisches
Fluten der Beschichtungskammer bis zu einem zweckmäßigen
Betriebsdruck (praktikabel hierfür ist der Bereich 1 mbar
bis 1000 mbar) variieren.
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Durch
das strömende Kühlgas wird zudem eine Zwangskonvektion
an der Außenseite des Gefäßes ausgebildet,
mittels der die vom Gefäß abgegebene Wärmeenergie
vom Gas besonders effektiv aufgenommen und abtransportiert werden
kann, wodurch das Gefäß gekühlt wird.
Das erwärmte Gas, welches beim Verlassen der porösen
Schicht oder des Spaltes zwischen Gefäß und wärmedämmender Schicht
das Vakuum der Kammer beaufschlagt, kann dann mittels der zu einer
Vakuumkammer gehörenden Vakuumpumpe oder mittels einer
separaten Pumpeinrichtung aus der Vakuumkammer abgepumpt werden.
Es liegt nahe, das abgepumpte Kühlgas in einem geschlossenen
Kreislauf zu führen – gegebenenfalls unter Einbeziehung
von Aufbereitungseinrichtungen wie Filter, Kühler, Gaswäsche – und somit
mehrfach zu nutzen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei allen Aufgabenstellungen
eingesetzt werden, bei denen ein Gefäß zum Verdampfen
eines Materials gekühlt werden muss. So kann beispielsweise
ein Gefäß zum Verdampfen eines Materials innerhalb
einer Vakuumkammer einerseits bereits während eines Verdampfungsvorganges
mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gekühlt
werden. Andererseits kann aber ein Gefäß zum Verdampfen
eines Materials mittels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung auch nach Beendigung eines Verdampfungsvorganges verwendet
werden, um das Gefäß gegenüber dem Stand
der Technik schneller abzukühlen, wodurch sich die unproduktive
Zeit der zugehörigen Verdampferanlage verkürzt.
Ebenfalls unabhängig ist eine erfindungsgemäße
Einrichtung von der Art des Verdampfens. So kann die Energie zum
Verdampfen beispielsweise mittels eines Elektronenstrahlerzeugers,
mittels Stromdurchfluss oder durch eine Bogenentladung bereitgestellt
werden.
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Für
den Kühleffekt ist einerseits die Temperaturdifferenz zwischen
dem Verdampfergefäß und dem zum Kühlen
verwendeten Gas ausschlaggebend. Je kühler das Gas ist,
desto höher ist der zu erzielende Kühleffekt.
Da beim Vakuumverdampfen üblicherweise Temperaturen oberhalb
von 1000°C erzielt werden, auf die sich dann auch das Verdampfergefäß erhitzt,
ist es hinreichend, wenn das Gas vor dem Einlassen in das poröse
Material bzw. in den Spalt Raumtemperatur aufweist, die üblicherweise unterhalb
von 50°C angesiedelt ist, weil auf diese Weise bereits
eine Temperaturdifferenz von etwa 1000°C zwischen dem Gas
und dem Verdampfergefäß besteht. Der Kühleffekt
kann jedoch auch noch erhöht werden, wenn das Gas vor dem
Einlass in das poröse Material bzw. in den Spalt auf eine
Temperatur unterhalb der Raumtemperatur gekühlt wird.
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Positiv
auf den Kühleffekt wirkt sich ebenfalls aus, wenn ein Gas
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.
Gase wie Helium und Stickstoff oder ein Gemisch, welches die beiden
genannten Gase enthält, sind daher besonders geeignet.
Ein Gas, welches Argon enthält, kann ebenso für
diesen Zweck verwendet werden.
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Ein
weiterer den Kühleffekt beeinflussender Faktor ist die
Menge des Gases, die durch die poröse Schicht bzw. durch
den Spalt gepumpt wird. Je höher der Gasdurchfluss ist,
umso tiefer bzw. umso schneller kann das Verdampfergefäß abgekühlt
werden.
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Für
das Material, aus dem ein Verdampfergefäß besteht,
können alle Materialien verwendet werden, die auch im Stand
der Technik dafür herangezogen werden. Hierfür
sind beispielsweise Gefäße aus Metall, aus Metallverbindungen,
aus Sinterkörpern oder auch aus Keramiken geeignet. Wie
auch beim Stand der Technik, so ist auch bei einer erfindungs gemäßen
Vorrichtung lediglich darauf zu achten, dass das Material, aus dem
das Gefäß besteht, einerseits den beim Verdampfen
entstehenden Temperaturen standhält, andererseits keine
unerwünschten chemischen Reaktionen mit dem Verdampfungsgut
eingeht und dass somit keine Reaktionsprodukte entstehen, die das
Abscheiden der gewünschten Schicht negativ beeinflussen.
Soll beispielsweise reines Kupfer oder reines Zinn verdampft und
eine reine Kupferschicht bzw. eine reine Zinnschicht auf einem Substrat
abgeschieden werden, kann vorteilhafterweise ein Verdampfergefäß aus
Graphit zur Aufnahme des Kupfers bzw. des Zinns verwendet werden.
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Bei
der Auswahl des verwendeten Gases zum Kühlen des Verdampfergefäßes
ist ebenfalls zu beachten, dass sowohl das Material, aus dem das Gefäß besteht,
als auch das zu verdampfende Material keine unerwünschten
chemischen Reaktionen mit dem Gas eingehen. Soll beispielsweise
reines Kupfer in einem Graphittiegel verdampft und eine reine Kupferschicht
auf einem Substrat abgeschieden werden, kann vorteilhafterweise
Helium als Gas zum Kühlen des Gefäßes
verwendet werden.
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Soll
hingegen eine Verbindungs-Schicht auf einem Substrat mittels eines
reaktiven Beschichtungsverfahrens abgeschieden werden, kann hingegen
durchaus auch das Reaktivgas (wie beispielsweise Sauerstoff oder
Luft beim Abscheiden einer Oxid- oder Oxynitridschicht) als Gas
zum Kühlen eines Verdampfergefäßes verwendet
werden, das dann aber zweckmäßigerweise nicht
aus Grafit, sondern zum Beispiels aus Oxidkeramik besteht.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel wird ein Schüttgut zum
Ausbilden einer porösen wärmedämmenden
Schicht verwendet, wobei die poröse Schicht sowohl die
ganze Außenfläche des Verdampfergefäßes
oder auch nur Teilbereiche davon bedecken kann. Als Schüttgut
sind beispielsweise Granulate aus allen den beim Verdampfen entstehenden
Temperaturen standhaltenden Materialien, Kies oder ein Gemisch aus
Kies und Granulat geeignet. Die bei einer Schüttung zwischen
den Granulatkörnern bzw. zwischen den Kieselsteinen entstehenden
Hohlräume sind hinreichend zum Herstellen einer porösen
wärmedämmenden Schicht für eine erfindungsgemäße
Vorrichtung. Wird ein Schüttgut als poröse Schicht
verwendet, ist es zweckmäßig, das Schüttgut
durch eine Außenwandung zu begrenzen. Es ist jedoch darauf
zu achten, dass das in die Hohlräume des Schüttgutes
eingelassene Gas zumindest an einer Stelle aus der porösen
Schicht in das Vakuum der Kammer gelangen kann. Als Außenwandung für
die poröse Schicht kann beispielsweise eine Wanne aus Kupfer
verwendet werden. Neben Schüttgütern sind aber
auch Schäume aus einem Metall oder aus Graphit als poröse
Schicht geeignet.
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Neben
einer porösen Schicht kann aber auch eine Schicht ohne
Poren als wärmedämmende Schicht eingesetzt werden,
wobei die wärmedämmende Schicht dann mit einem
Spalt von der Außenwand des Verdampfergefäßes
beabstandet ist, durch den das Gas zum Kühlen des Gefäßes
hindurchgeführt wird. Als Material für eine solche
Schicht sind alle bekannten hitzebeständigen Materialien,
wie beispielsweise Graphitfaserplatten geeignet. Wie schon in Bezug
auf die poröse Schicht erwähnt, kann auch eine
porenfreie wärmedämmende Schicht sowohl die gesamte
Außenfläche des Gefäßes bedecken,
nur Teilflächen davon oder auch in Kombination mit einer porösen
wärmedämmenden Schicht angewendet werden.
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Ein
weiterer zwingender Bestandteil einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist eine Einrichtung, mittels der das zum Kühlen
verwendete Gas in die poröse wärmedämmende
Schicht bzw. in den Spalt zwischen Gefäß und wärmedämmender
Schicht geführt wird. Zweckmäßiger Weise
mündet ein hierfür verwendetes Rohrleitungssystem,
das eine oder mehrere Öffnungen innerhalb der porösen
Schicht bzw. innerhalb des Spaltes aufweisen kann, unterhalb des
Verdampfergefäßes, so dass das Gas zunächst
an der Unterseite des Gefäßes und dann an den
Seitenwänden des Gefäßes vorbeiströmt
und anschließend ins Vakuum der Kammer gelangt, wo es von
der oder den Vakuumkammerpumpe(n) abgepumpt wird. Alternativ kann
das Gas mittels des Rohrleitungssystems auch nur an den Seitenwänden des
Verdampfergefäßes oder sowohl unterhalb des Verdampfergefäßes
als auch an den Seitenwänden des Verdampfergefäßes
in die poröse wärmedämmende Schicht bzw.
in den Spalt eingelassen werden.
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Bei
einer Ausführungsform sind zumindest die Seitenwandungen
des Verdampfergefäßes mit einer wärmedämmenden
Schicht umhüllt, wobei die wärmedämmende
Schicht mit einem sich um das ganze Gefäß erstreckenden
Spalt von der Gefäßaußenwandung beabstandet
ist, so dass von unten in den Spalt eingepumptes Gas durch den Spalt
an den Außenwänden des Gefäßes
nach oben gedrückt wird und am oberen Rand des Gefäßes
den Spalt mit einem Druck senkrecht noch oben verlässt.
Auf diese Weise steigt um den ganzen oberen Rand des Gefäßes
herum ein Gasstrom auf, der die aufsteigenden Dampfpartikel des
verdampften Materials seitlich begrenzt. Ein seitliches Abdriften
von Dampfpartikeln über den Querschnitt der Gefäßöffnung
hinaus wird dadurch eingeschränkt und somit ein ungewolltes Beschichten
von Vakuumkammerbestandteilen reduziert.
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Der
obere Abschluss des Spaltes ist somit als eine Düse ausgebildet,
die sich um den ganzen oberen Gefäßrand herum
erstreckt. Alternativ kann der Spalt am oberen Rand auch als eine
Vielzahl von Düsen ausgebildet sein, die um den oberen
Rand des Gefäßes herum angeordnet sind. Bei einem
weiteren alternativen Ausführungsbeispiel ist die Richtung,
in der das Gas durch die Düse oder die Düsen am
oberen Rand des Gefäßes ausströmt, einstellbar. Auf
diese Weise ist die Ausbreitungscharakteristik des vom Verdampfungsort
aufsteigenden Dampfstroms (auch als Dampfkeule bezeichnet) modulierbar.
Bekanntlich ist die Partikeldichte im Zentrum des Dampfkeulenquerschnittes
am dichtesten und nimmt nach außen hin ab, was sich auch
auf die Dickenverteilung einer Schicht auf einem über der
Dampfkeule angeordneten Substrates auswirkt. Je nach dem Einstellen
der Ausströmrichtung des die Dampfkeule seitlich begrenzenden
Gasstromes können der Querschnitt der Dampfkeule gegenüber
dem Querschnitt der Gefäßöffnung und
die örtliche Verteilungsfunktion der Dampfstromdichte verändert
werden. Steigt der Gasstrom senkrecht nach oben, bleibt der Querschnitt
der aufsteigenden Dampfkeule im Wesentlichen auf den Querschnitt
der Gefäßöffnung begrenzt. Vorteilhafterweise
wird dadurch die unerwünschte Ablagerung von Beschichtungsmaterial
in der Prozesskammer reduziert, wodurch die Materialausbeute – d.
h., das Verhältnis des auf dem Substrat abgeschiedenen
zur Gesamtmenge des verdampften Materials – steigt und
Wartungszyklen verlängert werden können. Wird
der Gasstrom zum Dampfkeulenzentrum hin gerichtet, verringert sich der
Dampfkeulenquerschnitt weiter, und die örtliche Verteilungsfunktion
der Dampfstromdichte ändert zunehmend ihre Charakteristik
von einer für thermische Verdampfer ohne zusätzliche
Gasstromführung des Dampfes typischen cosn(ϕ)-Verteilung
(n ≈ 1 ... 3, ϕ = Winkel zwischen der Normalen
zum dampfabgebenden Oberflächensegment und der Verbindungsgeraden
zwischen Dampfquelle und Aufpunkt) hin zu einem eher kasten- oder
zylinderförmigen („top hat”) Profil.
Das bringt jedoch den Vorteil mit sich, dass über den Querschnitt
der Dampfkeule eine homogenere Schichtdicke abgeschieden wird. Entgegengesetzt
verhält es sich, wenn der die Dampfkeule seitlich begrenzende
Gasstrom vom Dampfkeulenzentrum weg gerichtet wird.
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Ein
weiteres zusätzliches Merkmal der Erfindung umfasst einen
Sensor, mit dem ein Wert für die Temperatur des Gefäßes
oder/und ein Wert für die Temperatur der wärmedämmenden
Schicht erfassbar ist/sind. In einer Auswerteeinrichtung wird dieser erfasste
Temperatur-Istwert mit einem Temperatur-Sollwert verglichen und
in Abhängigkeit vom dabei erzielten Vergleichswert mittels
eines Stellgliedes die Menge des in die poröse Schicht
oder/und des in den Spalt geführten Gases geregelt. Auf
diese Weise lässt sich einerseits die Temperatur des Gefäßes bzw.
die Temperatur der das Gefäß bedeckenden wärmedämmenden
Schicht bereits während eines Verdampfungsvorganges auf
einen gewünschten Wert einstellen. Schwankungen der Tiegeltemperatur infolge
einer technologisch gewollten Änderung der von der Verdampfungseinrichtung
zugeführten Leistung – z. B. Unterbrechung der
Materialverdampfung während eines Substratwechsels – können
so weitgehend vermieden werden. Andererseits lässt sich das
Gefäß nach einem Verdampfungsvorgang auch nach
einem vorgegebenen Zeitplan abkühlen, wenn ein jeweiliger
Temperatur-Sollwert einer über die Abkühlzeit
aufgetragenen Temperatur-Sollwertkurve entnommen wird. Damit kann
beispielsweise vermieden werden, dass das Gefäß zu
schnell abgekühlt wird, was gegebenenfalls zu Rissen im
Gefäß führen kann.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Verdampfen von Zinn;
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Verdampfen von Kupfer;
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3 eine
schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Verdampfen von Kupfer mit einem Gasmengen-Regelkreis.
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In 1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 dargestellt,
mittels derer innerhalb einer Vakuumkammer 101 auf einer
Vielzahl von plattenförmigen Substraten 102 nacheinander
eine Zinnschicht aufgedampft werden soll, wobei der Pfeil über
dem in 1 dargestellten Substrat 102 die Bewegungsrichtung
der Substrate 102 angibt. In einem Graphittiegel 103 befindet
sich das zu verdampfende Zinn 104, welches mittels eines
von einem Axialstrahler 105 erzeugten hochenergetischen
Elektronenstrahls 106 erhitzt wird. Der Tiegel 103 ist
zur thermischen Isolation in eine Schicht 107 aus Quarzkies
eingebettet, welche auf der Außenseite durch eine Wandung 108 aus
Kupfer begrenzt ist. Weil die Schicht 107 aus einer Aufschüttung
von Quarzkies besteht, weist diese Schicht eine Vielzahl von Hohlräumen
zwischen den Kieselsteinen auf und ist somit als poröse
Schicht ausgebildet.
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Aus
einem in 1 nicht dargestellten Reservoir
kann das Gas Helium durch eine Rohrleitung 109 in die poröse
Schicht 107 gepumpt werden. Das in die poröse
Schicht 107 gepumpte Gas durchströmt die Hohlräume
der Schicht 107 und kann nur am oberen Rand der Schicht 107,
der nicht verschlossen bzw. abgedeckt ist, aus der Schicht 107 entweichen. Das
Gas strömt somit zwangsweise an der Außenwandung
des Graphittiegels 103 vorbei und transportiert dabei vom
Graphittiegel 103 abgegebene Wärmeenergie ab.
Das erwärmte Gas kann dann aus dem Inneren der Vakuumkammer 101 von
den in 1 nicht dargestellten Vakuumpumpen der Vakuumkammer 101 abgesaugt
werden. Das Verunreinigen der Kammeratmosphäre mit Helium
ist beim Ausführungsbeispiel unkritisch, weil das Helium
weder mit dem verdampften Zinn noch mit dem heißen Graphit
des Tiegels 103 chemische Verbindungen eingeht, die für
das Abscheiden einer reinen Zinnschicht schädlich sind.
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Vor
einem jeweiligen Beschichtungszyklus wird der Graphittiegel 103 mit
Zinn 104 befüllt und anschließend die
Vakuumkammer 101 evakuiert. Nach erfolgreicher Evakuierung
der Vakuumkammer 101 wird mittels des Axialstrahlers 105 der
Elektronenstrahl 106 erzeugt und auf das Zinn 104 derart
abgelenkt, dass der Elektronenstrahl 106 zumindest einen Teilbereich
der Oberfläche des Zinns 104 periodisch überstreicht,
wodurch Anteile des Zinns 104 erhitzt und in den dampfförmigen
Zustand überführt werden. Die aufsteigenden Dampfpartikel
schlagen sich dann auf der Unterseite der nacheinander durch die
Vakuumkammer 101 geführten Substrate 102 nieder
und bilden dort eine Zinnschicht.
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Nachdem
der Beschichtungszyklus abgeschlossen und der Axialstrahler 105 ausgeschaltet ist,
wird durch die Rohrleitung 109 Helium gepumpt und auf diese
Weise ein beschleunigtes Abkühlen des Graphittiegels 103 herbeigeführt.
Die Solltemperatur des Graphittiegels, ab deren Unterschreiten die Vakuumkammer 101 belüftet
und der Tiegel 103 erneut mit Zinn 104 befüllt
werden kann, wird auf diese Weise gegenüber dem Stand der
Technik schneller erreicht und somit die Produktivität
der Vorrichtung erhöht.
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In 2 ist
schematisch eine alternative erfindungsgemäße
Vorrichtung 200 dargestellt, mittels derer innerhalb einer
Vakuumkammer 201 auf einer Vielzahl von plattenförmigen
Substraten 202 nacheinander eine Kupferschicht aufgedampft
werden soll, wobei der Pfeil über dem in 2 dargestellten
Substrat 202 die Bewegungsrichtung der Substrate 202 angibt.
In einem Graphittiegel 203 befindet sich das zu verdampfende
Kupfermaterial 204, welches mittels eines von einem Axialstrahler 205 erzeugten Elektronenstrahls 206 erhitzt wird.
Die Größe des Graphittiegels 203 ist
derart dimensioniert, dass mit dessen Fassungsvermögen
an Kupfermaterial 204 ein mindestens 48-stündiges
ununterbrochenes Verdampfen betrieben werden kann.
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Zum
Zwecke der thermischen Isolation des Graphittiegels 203 steht
dieser auf einer Schicht 207 aus Quarzkies. Weil die Schicht 207 aus
einer Aufschüttung von Quarzkies besteht, weist diese Schicht eine
Vielzahl von Hohlräumen zwischen den Kieselsteinen auf
und ist somit als poröse Schicht ausgebildet. Der Graphittiegel 203 ist
an den Seitenwänden ebenfalls aus Gründen der
thermischen Isolation mit Graphitfaserplatten 210 ummantelt,
wobei die Graphitfaserplatten umlaufend mit einem Spalt 211 von
7 mm Breite vom Graphittiegel 203 bei Raumtemperatur beabstandet
sind. Als äußere Begrenzung für die Schicht 207 und
die Graphitfaserplatten 210 dient eine Wanne 208 aus
Kupfer. Die Wandungen der Wanne 208 sind mit mehreren in 2 nicht
dargestellten Bohrungen durchzogen, durch die zum Zwecke der Wannenkühlung
Wasser gepumpt werden kann.
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Aus
einem in 2 nicht dargestellten Reservoir
kann das Raumtemperatur aufweisende Gas Helium durch eine Rohrleitung 209 in
die poröse Schicht 207 gepumpt werden. Dabei weist
die Rohrleitung 209 innerhalb der Schicht 207 eine über
die Länge der Rohrleitung verteilte Vielzahl von Öffnungen
auf, durch die das Helium in die poröse Schicht 207 strömen
kann. Somit wird über die ganze Breite des Grafittiegels 203 Helium
in die Schicht 207 gepumpt, welches die Hohlräume
der Schicht 207 durchströmt und die Schicht 207 nur
durch den allseitig umlaufenden Spalt 211 zwischen Graphittiegel 203 und
Graphitfaserplatten 210 verlassen kann.
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Durch
geeignete Anformung des Grafittiegels 203 und/oder der
Graphitfaserplatten 210 und/oder zusätzliche Aufsätze
kann der obere Bereich des Spaltes 211 als Ringdüse
(wahlweise in Form eines umlaufenden Einfachspaltes oder als Düsenkranz)
ausgebildet und damit eine Vorzugsrichtung des aus dem Spalt 211 in
die Vakuumkammer 201 strömenden Gases ausgeprägt
werden.
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Das
Gas wird aus dem Inneren der Vakuumkammer 201 von in 2 nicht
dargestellten Vakuumpumpen abgesaugt. Der Eintrag von Helium in
die Kammeratmosphäre ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel
unkritisch für das Abscheiden einer reinen Kupferschicht.
Neben der Funktion als Zwangskonvektionsstrecke dient der Spalt 211 gleichzeitig als Dehnungsfuge
für den sich während des Verdampfungsvorgangs
aufheizenden und dabei ausdehnenden Graphittiegel 203.
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Vor
einem jeweiligen Beschichtungszyklus wird der Graphittiegel 203 mit
Kupfermaterial 204 befüllt und anschließend
die Vakuumkammer 201 evakuiert. Nach erfolgreicher Evakuierung
der Vakuumkammer 201 wird mittels des Axialstrahlers 205 der Elektronenstrahl 206 erzeugt
und auf das Kupfermaterial 204 derart abgelenkt, dass der
Elektronenstrahl 206 zumindest einen Teilbereich der Oberfläche
des Kupfermaterials 204 periodisch überstreicht,
wodurch Anteile des Kupfermaterials 204 erhitzt und in den
dampfförmigen Zustand überführt werden.
Die aufsteigenden Dampfpartikel schlagen sich dann auf der Unterseite
der nacheinander durch die Vakuumkammer geführten Substrate 202 nieder
und bilden dort eine Kupferschicht.
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Bereits
während des Beschichtens der Substrate 202 wird
Helium mit bis zu 1000 sccm durch die Rohrleitung 209 in
die poröse Schicht 207 gepumpt. Das führt
dazu, dass die im Randbereich des Tiegels erzeugten Dampfpartikel
mit vom Tiegelzentrum nach auswärts gerichteten Geschwindigkeitskomponenten
vom vertikal oder zum Tiegelzentrum hin gerichteten Gasstrom aus
dem Spalt 211 erfasst und umgelenkt werden. Im Ergebnis
wird der Durchmesser der über dem Tiegel erzeugten Dampfkeule im
Wesentlichen auf die an die Substratdimensionen angepassten Tiegelabmessungen
beschränkt und das sonst zu verzeichnende Abfallen der
Dampfstromdichte vom Tiegelzentrum zum Tiegelrand hin deutlich gemildert,
woraus sowohl eine Reduzierung der unerwünschten Ablagerung „Wilder
Schichten” in der Vakuumkammer als auch eine verbesserte Gleichmäßigkeit
der auf dem Substrat abgeschiedenen Schichtdicke resultieren.
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Nachdem
der Beschichtungszyklus abgeschlossen und der Axialstrahler 105 sowie
die in 2 nicht dargestellten Vakuumpumpen ausgeschaltet
sind, wird Helium mit hohem Durchsatz (≈ 10 sl/s) durch
die Rohrleitung 209 gepumpt und auf diese Weise ein beschleunigtes
Abkühlen des Graphittiegels 103 herbeigeführt.
Die Solltemperatur des Graphittiegels, ab deren Unterschreiten die
Vakuumkammer 201 belüftet und der Tiegel 203 erneut
mit Kupfermaterial 104 befüllt werden kann, wird
bereits nach weniger als 4 Stunden erreicht. Die unproduktive Zeit
der Vorrichtung zwischen zwei Beschichtungszyklen konnte auf diese
Weise gegenüber dem Stand der Technik um mehr als 50% reduziert
werden. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit empfiehlt es sich,
das in die Vakuumkammer 201 eingeströmte Helium
mit einem in 2 ebenfalls nicht dargestellten
separaten Kompressor abzuziehen und in einem Kreislauf wieder Rohrleitung 209 zuzuführen.
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In 3 ist
eine Vorrichtung 200a schematisch dargestellt, die zunächst
einmal alle Merkmale von Vorrichtung 200 aus 2 umfasst.
Zusätzlich weist Vorrichtung 200a einen Sensor 212 auf,
mittels dessen ein Wert für die Temperatur des Graphittiegels 203 erfasst
werden kann. Dieser Temperatur-Istwert wird an eine Auswerteeinrichtung 213 weitergeleitet
und dort mit einem Temperatur-Sollwert verglichen. In Abhängigkeit
vom Vergleichsergebnis wird mittels eines Stellgliedes 214 die
Menge des durch die Rohrleitung 209 fließenden
Gases Helium eingestellt.
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Beim
dem zu 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
bereits während eines Verdampfungsvorganges Helium durch
die Rohrleitung 209 gepumpt. Mittels des Regelkreises zum
Einstellen der Gasflussmenge kann beispielsweise während
eines Verdampfungsvorganges die Menge des durch die Rohrleitung 209 fließenden
Gases erhöht werden, wenn der Istwert über dem
Sollwert liegt, bzw. die Menge verringert werden, wenn der Istwert
unter dem Sollwert liegt, und auf diese Weise kann die Temperatur
des Graphittiegels 203 während des Verdampfens
auf den vorgegebenen Sollwert geregelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19548160
C1 [0002]
- - DE 102006023463 A1 [0002]
- - DE 19612345 C1 [0003]
- - DE 102006031244 A1 [0007]