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Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage, enthaltend zumindest einen evakuierbaren Rezipienten, welcher zur Aufnahme eines Substrats vorgesehen ist, zumindest eine Gaszufuhreinrichtung, mittels welcher zumindest ein gasförmiger Prekursor in den Rezipienten einleitbar ist und zumindest eine Aktivierungseinrichtung, welche zumindest ein beheizbares Aktivierungselement enthält, dessen Ende an einer Befestigungsstelle an einem Halteelement befestigt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Beschichtungsverfahren.
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Beschichtungsanlagen der eingangs genannten Art sind gemäß dem Stand der Technik dazu vorgesehen, ein Substrat mittels einer heißdrahtaktivierten chemischen Gasphasenabscheidung zu beschichten. Die abgeschiedenen Schichten können beispielsweise Kohlenstoff, Silizium oder Germanium enthalten. Entsprechend können die gasförmigen Prekursoren Methan, Monosilan, Monogerman, Ammoniak oder Trimethylsilan enthalten.
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Aus K. Honda, K. Ohdaira and H. Matsumura, Jpn. J. App. Phys., Vol. 47, No. 5 ist bekannt, eine Beschichtungsanlage der eingangs genannten Art zur Abscheidung von Silizium zu verwenden. Hierzu wird mittels der Gaszufuhreinrichtung Silan (SiH4) als Prekursor zugeführt. Gemäß dem Stand der Technik wird der Prekursor an der beheizten Wolframoberfläche eines Aktivierungselementes dissoziiert und aktiviert, so dass eine Siliziumschicht auf einem Substrat abgeschieden werden kann.
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Nachteilig am genannten Stand der Technik ist jedoch, dass insbesondere an den kälteren Einspannstellen des Aktivierungselementes eine unerwünschte Umsetzung de Materials des Aktivierungselementes mit dem Prekursor stattfindet. Beispielsweise kann die Verwendung einer Silan-Verbindung als Prekursor zur Bildung von Silizid-Phasen am Aktivierungselement führen.
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Die bei der Umsetzung entstehenden Silizid-Phasen führen in der Regel zu Volumenveränderungen des Aktivierungselementes, sind im Vergleich zum Ausgangsmaterial spröde und mechanisch wenig belastbar und zeigen oftmals einen veränderten elektrischen Widerstand. Dies führt dazu, dass das Aktivierungselement oftmals bereits nach wenigen Stunden Betrieb zerstört ist. Beispielsweise kann das Aktivierungselement unter einer mechanischen Vorspannung im Rezipienten eingesetzt sein und unter dem Einfluss dieser mechanischen Vorspannung brechen. Um ein Brechen des Aktivierungselementes unter einer mechanischen Vorspannung zu verhindern, schlägt der Stand der Technik die Spülung der Einspannstellen mit einem Inertgas vor. Zwar zeigt der Stand der Technik im begrenzten Umfang eine Verlängerung der Lebensdauer, diese ist jedoch bei länger andauernden Beschichtungsverfahren oder zur Durchführung mehrerer kürzerer Beschichtungsverfahren unmittelbar hintereinander weiterhin unzureichend. Weiterhin beeinflusst das eingesetzte Inertgas den Beschichtungsprozess.
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Aus der
JP 2008-140945 A ist bekannt, einen Draht als Aktivierungselement zu verwenden. Dieser wird von einer Vorratsspule abgewickelt und mittels Führungsrollen in den Rezipienten eingebracht. Die Führungsrollen werden auf etwa 300°C beheizt, um einen Sprödbruch des Drahtes zu verhindern. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines Aktivierungselementes in einer Beschichtungsanlage zur heißdrahtaktivierten chemischen Gasphasenabscheidung zu verlängern, ohne den Beschichtungsprozess nachteilig zu beeinflussen. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Prozessstabilität zu erhöhen und/oder die Prozessregelung zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beschichtungsanlage gemäß Anspruch 1 sowie ein Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in an sich bekannter Weise ein zu beschichtendes Substrat in einem evakuierbaren Rezipienten einzubringen. Der Rezipient besteht dabei beispielsweise aus Aluminium, Edelstahl, Keramik und/oder Glas. Über zumindest eine Gaszufuhreinrichtung wird zumindest ein gasförmiger Prekursor mit vorgebbarem Partialdruck in den Rezipienten eingeleitet. Beispielsweise kann der Prekursor Methan, Silane, Germane, Ammoniak, Trimethylsilan, Sauerstoff und/oder Wasserstoff enthalten.
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Zur Schichtabscheidung wird eine im Innenraum des Rezipienten angeordnete Aktivierungseinrichtung eingesetzt. Die Aktivierungseinrichtung enthält ein beheizbares Aktivierungselement. Darüber hinaus kann die Aktivierungseinrichtung weitere Bauteile enthalten, wie z. B. Halteelemente, Stromversorgungseinrichtungen, Kontaktelemente oder weitere Elemente.
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Insbesondere kann die Beheizung des Aktivierungselements durch eine elektrische Widerstandsheizung und/oder eine elektronische Stoßheizung erfolgen. Die Widerstandsheizung durch direkten Stromfluss bewirkt bei einem Aktivierungselement mit konstantem Querschnitt einen über die Längserstreckung im Wesentlichen konstanten Energieeintrag.
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Das Aktivierungselement kann einen oder mehrere Drähte enthalten. Daneben kann das Aktivierungselement weitere geometrische Elemente, wie Platten, Bleche oder Zylinder enthalten. Ein Draht kann gerade ausgeführt sein oder in Form einer Wendel oder einer Doppelwendel. Das Aktivierungselement enthält im Wesentlichen ein Refraktärmetall, wie beispielsweise Molybdän, Niob, Wolfram oder Tantal oder eine Legierung aus diesen Metallen. Daneben kann das Aktivierungselement weitere chemische Elemente enthalten, welche entweder unvermeidbare Verunreinigungen darstellen oder als Legierungsbestandteil die Eigenschaften des Aktivierungselements an die gewünschten Eigenschaften anpassen.
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An der Oberfläche des Aktivierungselements werden die Moleküle des gasförmigen Prekursors gespalten und/oder angeregt. Die Anregung und/oder Spaltung kann einen Schritt enthalten, welcher unter Einfluss einer heterogenen Katalyse an der Oberfläche des Aktivierungselementes abläuft. Die auf diese Weise aktivierten Moleküle bzw. gebildeten Moleküle gelangen an die Oberfläche des Substrats und bilden dort die gewünschte Beschichtung aus.
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Die Enden des Aktivierungselements werden mittels einer Befestigungsstelle an einem Halteelement befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise durch Klemmen, Schweißen oder mittels Federspannung erfolgen. Aufgrund der vergrößerten Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmeabstrahlung des Halteelements weist das Aktivierungselement bei einem über dessen Längserstreckung konstantem Energieeintrag in einem Abschnitt in der Nähe der Befestigungsstelle eine geringere Temperatur auf, verglichen mit einem Abschnitt, welcher eine größere Entfernung zur Befestigungsstelle aufweist. In diesem Fall kann an der Befestigungsstelle bzw. in deren Nähe die Temperatur des Aktivierungselements soweit absinken, dass das Material des Aktivierungselements mit dem Prekursor eine chemische Umsetzung erfährt. Beispielsweise kann ein wolframhaltiges Aktivierungselement mit einem siliziumhaltigen Prekursor eine Wolframsilizid-Phase bilden. Ein tantalhaltiges Aktivierungselement kann mit einem kohlenstoffhaltigen Prekursor eine Tantalcarbid-Phase bilden. Dies kann zum Versagen des Aktivierungselements an der Befestigungsstelle oder in deren Nähe führen.
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Um das Versagen des Aktivierungselements zu verhindern oder zumindest zu verzögern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, neben der elektrischen Widerstandsheizung bzw. einer anderen ersten Heizeinrichtung, welche einen über die Längserstreckung des Aktivierungselementes im Wesentlichen gleichmäßigen Energieeintrag bewirkt, eine zweite Heizeinrichtung vorzusehen, welche einen über die Längserstreckung des Aktivierungselementes variierenden Energieeintrag bewirkt. Auf diese Weise kann ein Längsabschnitt des Aktivierungselements, welches eine erhöhte Wärmeabfuhr erfährt und dadurch eine niedrigere Temperatur aufweist, zusätzlich beheizt werden, um die erhöhte Wärmeabfuhr zumindest teilweise zu kompensieren.
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Ein solcher Längsabschnitt, welcher einer zusätzlichen Beheizung bedarf, kann beispielsweise ein Abschnitt in der Nähe eines Halteelements oder einer elektrischen Kontaktierung sein. Unter einem Abschnitt des Aktivierungselements, welcher sich in der Nähe des Halteelements befindet, wird erfindungsgemäß eine Teilfläche bzw. ein Teilabschnitt des Aktivierungselements verstanden, in welchem die Temperatur des Aktivierungselements bei gleichmäßigem Energieeintrag unter die Grenztemperatur sinkt, bei welcher die Umsetzung des Materials des Aktivierungselements mit dem Prekursor einsetzt oder sich beschleunigt. Dies kann beispielsweise eine Temperatur von weniger als 2000°C, weniger als 1800°C, weniger als 1500°C oder weniger als 1300°C sein. Durch den abschnittsweisen Energieeintrag der zweiten Heizeinrichtung wird die Temperatur lokal wieder angehoben, so dass die nachteilige chemische Umsetzung, beispielsweise die Ausbildung eines Karbids oder eines Silizids, unterdrückt wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Energieeintrag der zweiten Heizeinrichtung auf einen Bereich des Aktivierungselementes an der Befestigungsstelle begrenzt, so dass die Wärmeabfuhr über das Halteelement kompensierbar ist. Von einer Kompensation der Wärmeabfuhr über das Halteelement wird stets dann ausgegangen, wenn die Temperatur des Aktivierungselements unter dem Einfluss der zweiten Heizeinrichtung ansteigt. Dabei kann die Temperaturdes Aktivierungselements über dessen gesamte Längserstreckung im Rahmen vorgebbarer Toleranzen konstant sein. Der Toleranzbereich kann dabei ±20°C, ±10°C oder ±5°C betragen.
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Zur Kompensation der Wärmeleitung und/oder der Wärmestrahlung des Halteelements kann in einer Ausführungsform der Erfindung die zweite Heizeinrichtung dazu eingerichtet sein, einen Energieeintrag unmittelbar in das Halteelement zu bewirken. Auf diese Weise wird der Temperaturgradient zwischen dem Aktivierungselement und dem Halteelement verringert, so dass die Wärmeabfuhr aus dem Aktivierungselement wunschgemäß reduziert ist. in weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann der Energieeintrag in das Halteelement so groß werden, dass Wärmeenergie vom Halteelement in das Aktivierungselement fließt. Der finale Zweck dieser Maßnahmen besteht darin, die Temperatur des Aktivierungselements über dessen gesamte Länge über einen Schwellenwert zu heben, oberhalb dessen eine lebensdauerverkürzende Bildung von Karbid- oder Silizid-Phasen zumindest verlangsamt oder unterdrückt ist.
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Die lokale Erwärmung des Aktivierungselements kann in einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erfolgen, dass die zweite Heizeinrichtung dazu eingerichtet ist, Strahlungsenergie in das Aktivierungselement und/oder das Halteelement einzubringen. Insbesondere kann die Strahlungsenergie in Form von infraroter Strahlung bereitgestellt werden. Die Infrarotstrahlung kann beispielsweise mittels Laserlicht, einer Glühwendel oder einem Heizstrahler bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Heizeinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Teilchenstrahles enthalten. Ein solcher Teilchenstrahl kann insbesondere ein auf die Befestigungsstelle, das Halteelement oder das Aktivierungselement gerichteter Elektronen- oder Ionenstrahl sein. Ein solcher Teilchenstrahl kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine kinetische Energie von 0,5 keV bis 10 keV aufweisen. Die im Teilchenstrahl transportierte Ladungsmenge kann zwischen 10 mA und 1000 mA betragen. Ein Ionenstrahl kann insbesondere Wasserstoffionen oder Edelgasionen enthalten. Neben dem lokalen Eintrag von Energie kann ein Teilchenstrahl zusätzlich dazu verwendet werden, auf dem Aktivierungselement gebildete Phasen aus zumindest einem Element des Prekursors und zumindest einem Element des Aktivierungselements selektiv zu ätzen, so dass eine dauerhafte Anlagerung der unerwünschten Phasen unterbleibt oder verringert wird.
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Weiterhin kann die zweite Heizeinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas enthalten. Durch die Einwirkung eines Plasmas kann in einfacher Weise thermische Energie in das Aktivierungselement und/oder das Halteelement eingebracht werden. Ein Plasma kann beispielsweise über eine Hohl kathodenglimmentladung bereitgestellt werden. In Abhängigkeit von der geforderten Energiedichte und dem Arbeitsdruck der Glimmentladung kann diese fallweise auch durch ein Magnetfeld auf einen vorgebbaren Raumbereich begrenzt oder unterstützt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Wechselfeldes enthalten. Auf diese Weise kann im Aktivierungselement und/oder im Halteelement ein Wirbelstrom induziert werden, welcher eine lokale Erwärmung bewirkt. In diesem Fall umfasst die zweite Heizeinrichtung eine Induktionsheizung.
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Die genannten Heizeinrichtungen können auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung lehrt nicht das Vorhandensein genau einer zweiten Heizeinrichtung und genau einer ersten Heizeinrichtung als Lösungsprinzip.
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Um die Lebensdauer des Aktivierungselements zu maximieren, kann die zweite Heizeinrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung eine Regeleinrichtung enthalten, welcher ein Temperatur-Istwert im Wirkbereich der zweiten Heizeinrichtung zuführbar ist. Die Regeleinrichtung kann beispielsweise einen P-Regler, einen PI-Regler oder einen PID-Regler enthalten. Der Istwert der Temperatur des Aktivierungselements kann beispielsweise mittels eines Pyrometers oder eines Thermoelements gemessen werden. Auf diese Weise kann die Temperatur des Aktivierungselements auf einen vorgebbaren Sollwert geregelt werden, bei welchem die Lebensdauer des Aktivierungselements maximal und/oder die Beschichtungsleistung der Beschichtungsanlage optimiert ist.
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Eine besonders einfache Regelung der zweiten Heizeinrichtung ergibt sich, wenn der Regeleinrichtung ein Temperatur-Istwert außerhalb des Wirkbereichs der zweiten Heizeinrichtung als Sollwertvorgabe zuführbar ist. In diesem Fall wird die zweite Heizeinrichtung stets so geregelt, dass das Aktivierungselement über seine gesamte Längserstreckung eine im Wesentlichen konstante Temperatur aufweist. Eine Veränderung der Temperatur des Aktivierungselements durch Steuerung und/oder Regelung der ersten Heizeinrichtung führt dann automatisiert zu einer geänderten Sollwertvorgabe und damit zur automatisierten Anpassung der Heizleistung der zweiten Heizeinrichtung, so dass deren Leistung an die geänderte Wärmeabfuhr über die Halteeinrichtung angepasst wird.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage.
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2 illustriert den Aufbau einer zweiten Heizeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Heizeinrichtung, welche einen Teilchenstrahl auf die zu beheizende Fläche richtet.
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4 illustriert den Eintrag thermischer Energie aus einem Plasma.
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5 erläutert die Beheizung des Aktivierungselements mittels eines Laserstrahls.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine Beschichtungsanlage 1. Die Beschichtungsanlage 1 umfasst einen Rezipienten 10, welcher beispielsweise aus Edelstahl, Aluminium, Glas oder einer Kombination dieser Materialien hergestellt ist. Der Rezipient 10 ist gegenüber der Umgebung im Wesentlichen luftdicht abgeschlossen. Über einen Pumpenflansch 103 kann eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen werden. Beispielsweise kann der Rezipient 10 auf einen Druck von weniger als 10° mbar, weniger als 10–2 mbar oder weniger als 10–6 mbar evakuiert werden.
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Innerhalb des Rezipienten 10 befindet sich zumindest eine Haltevorrichtung 104, auf welcher zumindest ein Substrat 30 gehaltert werden kann. Das Substrat 30 kann beispielsweise aus Glas, Silizium, Kunststoff, Keramik, Metall oder einer Legierung bestehen. Beispielsweise kann das Substrat ein Halbleiterwafer, eine Scheibe oder ein Werkzeug sein. Es kann eine ebene oder gekrümmte Oberfläche aufweisen. Die genannten Materialien sind dabei nur beispielhaft genannt. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung eines bestimmten Substrates als Lösungsprinzip. Bei Betrieb der Beschichtungsanlage 1 wird auf dem Substrat 30 eine Beschichtung 105 abgeschieden.
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Die Zusammensetzung der Beschichtung 105 wird durch die Wahl des gasförmigen Prekursors beeinflusst. In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Prekursor Methan enthalten, so dass die Beschichtung 105 Diamant oder diamantartigen Kohlenstoff enthält. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Prekursor Monosilan und/oder Monogerman enthalten, so dass die Beschichtung kristallines oder amorphes Silizium und/oder Germanium enthält.
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Der gasförmige Prekursor wird über mindestens eine Gaszufuhreinrichtung 20 in das Innere des Rezipienten 10 eingebracht. Die Gaszufuhreinrichtung 20 bezieht den gasförmigen Prekursor aus einem Vorratsbehälter 21. Die Menge des aus dem Vorratsbehälter 21 entnommenen Prekursors wird über ein Regelventil 22 beeinflusst. Sofern die Beschichtung 105 aus mehreren unterschiedlichen Prekursoren zusammengesetzt ist, kann der Vorratsbehälter 21 eine vorbereitete Gasmischung enthalten oder aber es können mehrere Gaszufuhreinrichtungen vorgesehen sein, welche jeweils eine Komponente des zusammengesetzten Prekursors in den Rezipienten 10 einleiten.
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Die über das Regelventil 22 der Gaszufuhreinrichtung 20 zugeführte Menge des Prekursors wird über eine Regeleinrichtung 101 kontrolliert. Der Regeleinrichtung 101 wird ein IstWert eines Partial oder Absolutdrucks durch eine Messeinrichtung 100 zugeführt.
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Zur Aktivierung des gasförmigen Prekursors steht zumindest eine Aktivierungseinrichtung 40 zur Verfügung. Die Aktivierungseinrichtung 40 enthält ein oder mehrere Aktivierungselemente 41 mit katalytisch wirksamen Flächen, beispielsweise in Form von zumindest einem Blech, einem Rohr oder einem Draht. In der in 1 dargestellten Ausführungsform enthält die Aktivierungseinrichtung 40 zwei Drähte als Aktivierungselement 41, welche jeweils eine katalytisch aktive Oberfläche aufweisen. Beispielsweise können die Drähte 41 Wolfram, Molybdän, Niob und/oder Tantal enthalten. Die Drähte 41 können gerade gespannt sein oder mittels mehrerer Windungen 106 ausgeführt sein, wodurch sich die aktive Oberfläche des Aktivierungselementes 41 weiter vergrößert.
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Das Aktivierungselement 41 ist an zumindest einer Befestigungsstelle 42 an zumindest einem Halteelement 43 befestigt. Das Halteelement 43 fixiert das Aktivierungselement 41 an einer vorgebbaren Position und mit einer vorgebbaren mechanischen Spannung.
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Die Aktivität der Oberfläche der Aktivierungselemente
41 wird bei einer gegenüber der Raumtemperatur erhöhten Temperatur erreicht. Zur Erwärmung der Aktivierungselemente
41 ist gemäß
1 vorgesehen, zumindest ein Ende der Aktivierungselemente
41 mittels einer vakuumdichten Durchführung
108 mit einer Stromquelle
107 zu verbinden. In diesem Fall erfolgt die Erwärmung des Aktivierungselementes
41 durch Widerstandsheizung. Sofern das Aktivierungselement aus einem homogenen Material besteht und einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist, ist die entlang der Längserstreckung x des Aktivierungselementes eingebrachte Heizleistung E konstant:
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Aufgrund der Wärmeleitung und/oder der Wärmeabstrahlung der Halteelemente 43 nimmt die Temperatur des Aktivierungselementes 41 ausgehend von der geometrischen Mitte zum Rand hin ab, wenn die Heizleistung über die Länge des Aktivierungselementes im Wesentlichen konstant ist. Dabei kann sich in der Nähe der Befestigungsstelle 42 eine Temperatur einstellen, bei welcher das Material des Aktivierungselementes 41 mit dem gasförmigen Prekursor zu unerwünschten Phasen umgesetzt wird, beispielsweise Karbiden und/oder Siliziden. Dies kann zur Änderung der mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Aktivierungselementes 41 und damit zu dessen Beschädigung führen. Bei der sich in größerem Abstand vom Halteelement einstellenden höheren Temperatur wird der Prekursor dagegen angeregt und/oder dissoziiert und geht keine oder nur in geringem Umfang eine Bindung mit dem Aktivierungselement 41 ein, so dass die Schädigung dort geringer ist.
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Um diesen Temperaturabfall zu kompensieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine zweite Heizeinrichtung 50 einzusetzen, welche entweder die Halteeinrichtung 43 oder das Aktivierungselement 41 im Bereich der Befestigungsstelle 42 zusätzlich beheizt. Auf diese Weise kann die Temperatur des Aktivierungselementes 41 über dessen gesamte Länge auf einen Wert angehoben werden, bei welchem die zur Phasenumwandlung des Aktivierungselementes führenden Prozesse verhindert oder verlangsamt werden. Zumindest laufen die zur Phasenumwandlung führenden Prozesse über die gesamte Länge des Aktivierungselementes mit etwa gleicher Geschwindigkeit ab, so dass die Lebensdauer des Aktivierungselements 40 nicht mehr durch die Lebensdauer eines kleinen Abschnitts in der Nähe der Befestigungsstelle 42 begrenzt ist. Bei entsprechender Auslegung der zweiten Heizeinrichtung 50 kann erreicht werden, dass das Aktivierungselement 41 zwischen den Halteeinrichtungen 43 eine im Wesentlichen konstante Temperatur aufweist.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Heizeinrichtung 50. Im rechten Bildteil der 2 ist ein Schnitt durch einen Teil einer Halteeinrichtung 43 dargestellt. An der Halteeinrichtung 43 befindet sich eine Befestigungsstelle 42, an welcher ein Aktivierungselement 41 mit der Halteeinrichtung 43 verbunden ist. In das Aktivierungselement 41 wird mittels einer ersten Heizeinrichtung eine im Wesentlichen über die Länge des Aktivierungselementes 41 konstante Heizleistung eingebracht. Die Wärmeabfuhr des Aktivierungselementes erfolgt über dessen Längserstreckung im Wesentlichen durch Strahlung und Konvektion. Im Randbereich erfährt das Aktivierungselement 41 darüber hinaus einen zusätzlichen Wärmeverlust durch Wärmeleitung über die Halteeinrichtung 43. Dies führt dazu, dass die Temperatur des Aktivierungselementes 41 von dessen Mitte zur Befestigungsstelle 42 hin sinkt.
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Um den Temperaturabfall in der Nähe der Befestigungsstelle 42 zu kompensieren, ist eine zweite Heizeinrichtung 50 vorgesehen. Die Heizeinrichtung 50 umfasst gemäß 2 eine Glühwendel 51, welche das Aktivierungselement 41 umgibt. Die Glühwendel 51 kann über Anschlusskontakte 52 mit einer nicht dargestellten Gleich- oder Wechselspannungsquelle verbunden werden.
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Die Glühwendel 51 kann über mehrere Mechanismen thermische Energie in das Aktivierungselement 41 eintragen. Beispielsweise kann die Glühwendel 51 durch direkten Stromfluss auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden, so dass diese Infrarotstrahlung abstrahlt, welche vom Aktivierungselement 41 absorbiert werden kann. Weiterhin kann die Glühwendel 51 mit einer Wechselspannungsquelle betrieben werden, so dass sich im Inneren der Wendel 51 ein elektromagnetisches Wechselfeld ausbildet. Dies führt zur Induktion eines Wechselstroms im Aktivierungselement 41, so dass der im Aktivierungselement 41 fließende Strom lokal erhöht ist. Dadurch wird im Aktivierungselement 41 im Wirkbereich der Glühwendel 51 zusätzliche thermische Energie eingebracht. Schließlich kann zwischen der Glühwendel 51 und dem Aktivierungselement 41 eine Potentialdifferenz angelegt werden, so dass durch Glühemission aus der Glühwendel 51 freigesetzte Elektronen auf das Aktivierungselement 41 beschleunigt werden. Dies führt zu einer elektronischen Stoßheizung des Aktivierungselementes 41. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können mehrere der genannten Effekte kombiniert werden. Fallweise kann die Glühwendel 51 jedoch auch so beschaltet sein, dass ein thermischer Energieeintrag in das Aktivierungselement 41 nur durch einen einzigen physikalischen Effekt erfolgt.
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Kumulativ oder alternativ kann an der Halteeinrichtung 43 ein elektrischer Heizwiderstand 53 befestigt sein. Der Heizwiderstand 53 kann beispielsweise durch Löten, Klemmen oder Schweißen an der Halteeinrichtung 43 befestigt sein. Zur Verbesserung des thermischen Kontakts zwischen der Halteeinrichturig 43 und dem Heizwiderstand 53 kann eine Zwischenlage eines duktilen Metalls verwendet werden, beispielsweise Gold oder Indium.
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Der elektrische Heizwiderstand 53 wird mittels einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle 54 mit elektrischer Energie versorgt. Im Heizwiderstand 53 wird die elektrische Energie in thermische Energie gewandelt und dem Halteelement 43 zugeführt. Dies führt zu einem geringeren Temperaturgradienten zwischen dem Halteelement 43 und dem Aktivierungselement 41, so dass die Temperatur des Aktivierungselementes 41 aufgrund der verringerten Wärmeabfuhr über das Halteelement 43 ansteigt. Sofern die Temperatur des Halteelements 43 die Temperatur des Aktivierungselementes 41 übersteigt, kommt es zu einem Wärmeeintrag vom Halteelement 43 in das Aktivierungselement 41, so dass dessen Temperatur im Bereich der Befestigungsstelle 42 ebenfalls ansteigt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen zweiten Heizeinrichtung 50. Die Heizeinrichtung 50 umfasst eine Elektronenkanone 60. Innerhalb der Elektronenkanone 60 befindet sich eine indirekt beheizte Kathode 61, welche über eine Heizwendel 62 auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher eine Glühemission stattfindet.
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Der von der Kathode 61 erzeugte Elektronenstrahl 65 wird über eine oder mehrere elektrostatische Linsen fokussiert und/oder defokussiert und verlässt die Elektronenkanone 60 über die Austrittsblende 64. Die durch die Austrittsblende 64 und die elektrostatischen Linsen 63 gebildete Optik kann dazu verwendet werden, das Strahlprofil des Elektronenstrahls 65 in eine Form zu bringen, welche an die zu beheizende Fläche angepasst ist. Der Elektronenstrahl 65 wird schließlich von der zu beheizenden Fläche absorbiert. Im Beispiel gemäß 3 ist diese eine zur Befestigungsstelle 42 benachbarte Teilfläche des Aktivierungselementes 41. Die durch die Elektronenkanone 60 in das Aktivierungselement 41 eingetragene Energie bestimmt sich durch die absorbierte Teilchenzahl, d. h. den Elektronenstrom und dessen kinetische Energie. Zur Regelung des Energieeintrages kann daher entweder die Temperatur der Kathode 61 und/oder die Beschleunigungsspannung des Linsensystems 63 angepasst werden.
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In gleicher Weise wie vorstehend für einen Elektronenstrahl beschrieben, kann thermische Energie auch durch einen Ionenstrahl in das Aktivierungselement 41, die Befestigungsstelle 42 oder die Halteeinrichtung 43 eingetragen werden.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Plasmaheizung des Aktivierungselements 41.
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4 zeigt wiederum einen Querschnitt durch das Halteelement 43. Der zu beheizende Teilabschnitt des Aktivierungselementes 41 befindet sich im Innenraum 72 einer Hohlkathode 70. Da der Innenraum 72 der Hohlkathode 70 zum Rezipienten offen ist, herrscht im Innenraum 72 derselbe Druck wie im Rezipienten 10. Durch Anlegen einer Wechselspannung aus einer Spannungsquelle 74 an die Hohlkathode 70 und das die Hohlkathode durchlaufende Aktivierungselement 41 bildet sich im Innenraum 72 ein elektrisches Wechselfeld aus, welches zum Zünden eines Plasmas 71 führt. Das Plasma 71 wirkt auf einen Teilabschnitt des Aktivierungselementes 41 ein, wobei thermische Energie in das Aktivierungselement 41 eingebracht wird. Die Regelung der aus dem Plasma 71 eingebrachten thermischen Energie kann durch Regelung der Wechselspannungsquelle 74 erfolgen. Die Frequenz der Wechselspannungsquelle 74 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung 100 kHz bis 14 MHz betragen.
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Um das Plasma 71 auf einen vorgebbaren Bereich im Innenraum 72 der Hohlkathode 70 zu begrenzen, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine optionale Magnetfelderzeugungseinrichtung 73 verwendet werden. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 73 kann beispielsweise zumindest einen Permanentmagneten und/oder zumindest eine elektromagnetische Spule umfassen. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 73 bewirkt einen magnetischen Einschluss des Plasmas 71, so dass dieses den im Rezipienten 10 ablaufenden Beschichtungsprozess nicht oder in geringerem Umfang stört.
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Durch eine weitere Gaszufuhreinrichtung, welche im Innenraum 72 der Hohlkathode 70 mündet, kann in einer Weiterbildung der Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Plasma 71 nicht nur thermische Energie in den Aktivierungselement 41 einträgt, sondern zusätzlich aus dem Plasma 71 eine Schutzschicht auf das Aktivierungselement 41 abgeschieden wird. Weiterhin kann das Plasma 71 dazu vorgesehen sein, unerwünschte Phasen, wie beispielsweise Karbide oder Silizide durch Plasmaätzen vom Aktivierungselement 41 zu entfernen, so dass dessen Lebensdauer zusätzlich erhöht wird. Schließlich kann das Plasma dazu eingerichtet sein, mit eindringenden Prekursoren zu reagieren, so dass die Reaktionsprodukte zumindest langsamer mit dem Aktivierungselement 41 reagieren.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweiten Heizeinrichtung 50. Die Heizeinrichtung 50 gemäß 5 umfasst einen Laser 80. Insbesondere ist der Laser 80 dazu eingerichtet, einen infraroten Lichtstrahl 82 auszusenden, welcher nachfolgend vom Aktivierungselement 41 und/oder der Befestigungsstelle 42 und/oder der Halteeinrichtung 43 absorbiert wird. Zur Anpassung der Strahlfleckgröße des Laserstrahls 82 kann ein optionales Linsensystem 81 zur Verfügung stehen. Die selektive Beheizung des Aktivierungselements 41 oder des Halteelements 43 mittels eines Laserstrahls 82 zeichnet sich durch besonders kurze Ansprechzeiten aus, wodurch der Wärmeeintrag schnell an wechselnde Gegebenheiten angepasst werden kann.
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Zur Regelung der vom Laser 80 ausgesandten Strahlintensität steht eine Regeleinrichtung 90 zur Verfügung. Die Regeleinrichtung 90 kann beispielsweise einen P-Regler, einen PI-Regler oder einen PID-Regler enthalten. Die Regeleinrichtung 90 kann als elektronische Schaltung ausgeführt sein, beispielsweise unter Verwendung eines oder mehrerer Operationsverstärker. In einer alternativen Ausführungsform kann die Regeleinrichtung 90 einen Mikroprozessor enthalten, auf welchem der Regelalgorithmus in Form einer Software ausgeführt wird.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Regeleinrichtung 90 mit zwei Temperatursensoren 91 und 92 verbunden. Die Temperatursensoren 91 und 92 können beispielsweise jeweils ein Thermoelement, eine Einrichtung zur Messung eines elektrischen Widerstands oder ein Pyrometer enthalten. Der Temperatursensor 91 ist dazu vorgesehen, eine Temperatur T1 in einem Längsabschnitt des Aktivierungselementes 41 zu messen, welcher überwiegend durch Strahlung und/oder Konvektion gekühlt und von der Wärmeabfuhr durch das Halteelement 43 weitgehend unbeeinflusst ist. Der Temperatursensor 92 ist dazu vorgesehen, eine Temperatur T2 des Aktivierungselementes 41 im Wirkbereich der zweiten Heizeinrichtung 50 zu messen. Sofern die Heizeinrichtung 50 abgeschaltet ist, wird die Temperatur T2 aufgrund des zusätzlichen Wärmeverlustes über die Halteeinrichtung 43 meist niedriger liegen als die Temperatur T1.
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Die Regeleinrichtung 90 verwendet nun die Temperatur T1 als Sollwertvorgabe und die Temperatur T2 als Istwert. Nachfolgend wird die Heizleistung der zweiten Heizeinrichtung 50 so geregelt, dass beide Temperaturen sich bis auf einen vorgebbaren Toleranzbereich angleichen. Auf diese Weise bringt die zweite Heizeinrichtung 50 einen Energiebetrag in das Aktivierungselement 41 ein, welcher die zusätzliche Wärmeabfuhr über das Halteelement 43 kompensiert. Selbstverständlich kann die Regeleinrichtung 90 mit jeder der in den 2–5 dargestellten Variante der zweiten Heizeinrichtung 50 kombiniert werden.
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Die Erfindung offenbart nicht die Verwendung einer einzigen zweiten Heizeinrichtung 50 als Lösungsprinzip. Vielmehr können die in den 2–5 in Bezug auf die zweite Heizeinrichtung 50 dargestellten Merkmale kombiniert werden, um auf diese Weise weitere Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche „erste” und „zweite” Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
