DE102010003106A1

DE102010003106A1 - Verfahren und Vorrichtung zur langzeitstabilen Verdampfung

Info

Publication number: DE102010003106A1
Application number: DE201010003106
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Reinhold; Dr. Faber Jörg; Carsten Deus
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: DE102010003106B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Verdampfen eines Verdampfungsguts 3 in einem Verdampfer 2, wobei das Verdampfungsgut 3 im Verdampfer 2 über eine Heizeinrichtung 4 erwärmt und verdampft wird. Verfahrensgemäß erfolgt eine Lageänderung aufgrund einer Gewichtsänderung des Verdampfers 2 in Bezug auf die Heizeinrichtung 4 mittels einer beweglichen Lagerung 5, wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung 4 in Abhängigkeit besagter Lageänderung des Verdampfers 2 angepasst wird. Dabei weist der Verdampfer 2 Mittel zur beweglichen Lagerung 5 auf. Weiterhin sind Mittel zur Detektion einer Lageänderung 6 des Verdampfers 2 in Bezug auf die Heizeinrichtung 4 angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichmäßigen Verdampfen eines Verdampfungsguts in einem Verdampfer, wobei das Verdampfungsgut im Verdampfer erwärmt und verdampft wird. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Verdampfung von Verdampfungsgut.
Derartige Verdampfungsvorrichtungen und Verfahren werden unter anderem verwendet, um auf Substraten Schichten des Verdampfungsguts abzuscheiden.
Die EP 0 028 514 A1 offenbart ein Verfahren zum Aufdampfen von lichtempfindlichen Material. Dabei wird die Verdampfungsrate des lichtempfindlichen Materials über eine Gewichtsänderung und die Temperatur am Verdampfertiegel verfolgt und in Abhängigkeit davon der Energieeintrag geregelt. Dabei wird fortlaufend die durch die Verdampfung bedingte Gewichtsabnahme des lichtempfindlichen Materials im Verdampfertiegel als auch die Temperatur am Tiegel registriert. Anschließend erfolgt eine Anpassung des Energieeintrags am Tiegel über einen Dual-Loop-Feedback-Mechanismus, um eine gleichmäßige Verdampfung zu gewährleisten. Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass hierfür eine aufwendige Kontrolle des Verlaufs der Beschichtungsanlage notwendig ist. Ein weiterer Nachteil ergibt sich, wenn während des Beschichtungsprozesses Material nachgeführt wird, da dann eine Bestimmung der Verdampfungsrate über die Gewichtsänderung nicht mehr möglich ist.
Die EP 0 880 606 B1 offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Vakuumverdampfungsprozesses mit einem elektronenstrahl-geheizten Verdampfer, wobei die Rückstoßkraft des auf die zu bedampfenden Substrate gerichteten Dampfstroms ermittel wird. Diese erfasste Rückstoßkraft geht als Regelgröße in einen Regelkreis ein, der die Prozessparameter regelt. Darüber lassen sich eine Vielzahl von Parametern des Beschichtungsprozesses kontrollieren. Weiterhin wird eine Nachführung von Material offenbart, wobei zur Erzielung einer gleichmäßigen Verdampfungsrate, die aus der Rückstoßkraft ermittelte Regelgröße zur Steuerung der nachgeführten Materialmenge verwendet wird.
Dabei besteht häufig auch die Forderung, kontinuierlich oder zumindest für einen langen Zeitraum neues Verdampfungsgut für eine lang andauernde Verdampfung zur Verfügung zu haben, z. B. für die kontinuierliche Beschichtung von großflächigen Substraten. Für das thermische Verdampfen in solchen Anwendungen sind verschiedenste Techniken zur Zuführung von Verdampfungsgut bekannt.
So offenbart die DE 10 2006 026 523 A1 ein Verfahren zum Aufdampfen dünner Schichten im Vakuum unter Verwendung von Draht, welcher als Verdampfungsgut über eine Zuführeinrichtung in den Tiegel der Verdampfungseinrichtung nachgeführt wird. Dadurch soll eine gleichmäßige Verdampfung des Verdampfungsguts gewährleistet werden. Hierzu wird vor allem eine Änderung des Drahtprofils vorgeschlagen, um eine Steigerung der Verdampfungsrate bei gleichbleibenden Bedingungen zu erzielen.
Die Druckschrift DD 125 996 A beschreibt ebenfalls die Zuführung des Beschichtungsmaterials mittels einer Drahtzuführung. Dabei können gleichzeitig mehrere Verdampfer verwendet werden. Die Verdampfungsrate wird hierbei über einen Regelkreis konstant gehalten, wobei mit steigender Zufuhr des Beschichtungsmaterials der elektrische Widerstand am Verdampfer sinkt und infolgedessen ein höherer Heizstrom mit entsprechend erhöhter Heizleistung wirken kann. Voraussetzung hierfür ist die Verwendung eines Verdampfers aus geeignetem Material, welcher die Anforderungen an den sich ändernden Widerstand erfüllt.
Weiterhin beinhaltet die Druckschrift DE 42 38 514 A1 ein Verfahren, wobei der Draht von der Drahtzuführungsvorrichtung aus über ein motorisch angetriebenes Glied dem Verdampfer zugeführt wird. Ein derartiges Glied ist beispielsweise eine mit einer Capstan-Welle zusammenwirkende Transportrolle. Die Bedampfungsrate wird dabei nicht über die Zufuhr des Beschichtungsmaterials geregelt.
Die DE 102 49 151 B4 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung komplexer Schichten aus mehreren verschiedenen Materialien in einem einzigen Bedampfungsprozess. Dabei werden Speicher- und Zuführeinrichtungen zur Zuführung von Verdampfungsmaterial in die Verdampferstation verwendet. Hierbei erfolgt eine Regulierung über die Zuführgeschwindigkeit des zugeführten Verdampfungsmaterials.
Neben den direkt durch Stromfluß beheizten Verdampferschiffchen ist aus dem Stand der Technik auch die Möglichkeit bekannt, aus einem Tiegel zu verdampfen der durch Elektronenstoß beheizt wird.
Der Edison-Richardson-Effekt, auch glühelektrischer Effekt oder Glühemission genannt, bezeichnet die thermische Emission (Aussendung) von Elektronen aus einer geheizten Glühkathode (meist im Vakuum). Die Mindesttemperaturen liegen oberhalb von 900 K und sind stark materialabhängig. Die Elektronen überwinden aufgrund ihrer thermischen Bewegung die charakteristische Austrittsarbeit des Metalles bzw. der Oxidschicht. Werden die freien Elektronen nicht durch ein elektrisches Feld abgesaugt, bilden sie um die Glühkathode im Vakuum eine Raumladungswolke aus und laden in der Nähe befindliche Elektroden gegenüber der „Kathode” negativ auf. Dieser Effekt kann zur direkten thermischen Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Der Wirkungsgrad dieses Thermionischen Isotopengenerators ist allerdings sehr gering.
Die Richardson-Gleichung beschreibt die Stromdichte J der aus einem Metall bei hohen Temperaturen austretenden Elektronen. Sie lautet:
wobei T die absolute Temperatur, We die Auslösearbeit für Elektronen, kB die Boltzmann-Konstante und A die Richardson-Konstante ist.
Die Auslösearbeit für Elektronen liegt im Allgemeinen etwa zwischen 1 und 6 eV. Die Richardson-Konstante ist materialabhängig und hängt vor allem vom verwendeten Metall und von der Oberflächenbeschaffenheit ab.
Das Raumladungsgesetz, auch Child-Langmuir-Gesetz, beschreibt den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung einer evakuierten Zweielektrodenanordnung bei raumladungsbegrenztem Betrieb. Es gilt
wobei I und U Anodenstrom bzw. -spannung bezeichnen. Der Faktor K ist eine sogenannte Raumladungskonstante und lediglich von der Gestalt der Elektrodenanordnung abhängige Größe.
Das Raumladungsgesetz gilt für U > 0 V. Für U < 0 V gilt das Anlaufstromgesetz. Das Raumladungsgesetz verliert seine Gültigkeit bei zu geringer Kathodenergiebigkeit oder zu hoher Anodenspannung.
Die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen weisen eine kinetische Energie auf, die bei Auftreffen auf den Verdampfer in thermische Energie umgewandelt wird (E_kin = e·U_B, U_B wobei die Beschleunigungsspannung ist). Bei ausreichender Heizung liegt der raumladungsbegrenzten Emissionsstromdichte das Child-Langmuir-Gesetz zugrunde:
mit U_B als Beschleunigungsspannung und K~1/d_KA, wobei d_KA den Abstand von Kathode und Anode wiedergibt.
Beim Betrieb von Heizungen, die auf Elektronenstoß basieren und wo zwischen Glühkathode und Anode (Tiegel) eine Beschleunigungsspannung angelegt und die Kathode durch einen Stromfluß geheizt wird, werden bei ausreichend hoher Feldstärke (~UB/dKA) vor der Kathode alle thermisch emittierten Elektronen abgesaugt und zur Anode (Verdampfer) hin beschleunigt. Für die extrahierbare Elektronenstromdichte gilt hierbei die Richardson-Gleichung.
Falls durch Überheizung so viele Elektronen emittiert werden, dass der Elektronenstrom durch Raumladungsbegrenzung bestimmt wird, gilt dann das Child-Langmuir-Gesetz.
Während beim Verdampferschiffchen unter Umständen eine Stabilisierung der Verdampfungsrate bei Zufuhr von Draht durch die Größe der benetzten und damit dampfabgebenden Fläche erfolgt, ist das bei dem durch Elektronenstoß beheizten Tiegel nicht der Fall. Hierfür muss die Heizleistung geschickt an die nachgefütterte Materialmenge angepasst werden, damit sich nicht zu viel und nicht zu wenig Material im Tiegel befindet. Bei der Beheizung des Tiegels mittels Elektronenstoß würden sich zudem mehr Freiheitsgrade in der Wahl der Tiegelmaterialien ergeben, da nur die Ableitung der auf den Tiegel auftreffenden Stoßelektronen gewährleistet werden muss. Der Einfluss des spezifischen Widerstands des Tiegelmaterials auf den Verdampfungsprozess ist in diesem Fall vernachlässigbar. Insofern ergeben sich Vorteile in der Verwendung der Beheizung des Tiegels mittels Elektronenstoß.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine gleichmäßige Verdampfung eines Verdampfungsguts bei gleichzeitiger Zuführung des Verdampfungsguts gewährleistet, wobei insbesondere die Heizleistung an die nachgeführte Materialmenge des Verdampfungsguts angepasst werden soll.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird ebenso durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum gleichmäßigen Verdampfen eines Verdampfungsguts in einem Verdampfer vorgeschlagen, wobei das Verdampfungsgut im Verdampfer erwärmt und verdampft wird. Aufgrund einer Gewichtsänderung des Verdampfers erfolgt eine Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung mittels einer beweglichen Lagerung. Die Heizleistung der Heizeinrichtung wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit besagter Lageänderung des Verdampfers angepasst.
Vorzugsweise wird das verdampfte Verdampfungsgut auf einem Substrat abgeschieden, wodurch eine Schicht des abgeschiedenen Verdampfungsguts auf dem Substrat erzeugt wird. Im Falle eines kontinuierlich bewegten Substrats ist die Schichtbildung auf dem Substrat von der Verdampfungsrate des Verdampfungsguts und der Transportgeschwindigkeit des Substrats abhängig.
Die Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung erfolgt mittels einer beweglichen Lagerung. Hierfür weist der Verdampfer Mittel zur beweglichen Lagerung auf, welche eine Lageänderung in Bezug auf die Heizeinrichtung ermöglichen. In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt, für den Fall das die Heizeinrichtung in Lotrichtung unterhalb des Verdampfers angeordnet ist, die Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung in Schwerkraftrichtung, wobei der Abstand zwischen Verdampfer und Heizeinrichtung in Lotrichtung kleiner wird. Eine solche Lageänderung kann beispielsweise durch Zuführung von Verdampfungsgut während des Beschichtungsprozesses oder eine reduzierte Verdampfung des Verdampfungsguts erfolgen, so dass eine Gewichtszunahme des Verdampfers in Höhe des Gewichts des zugeführten oder weniger verdampften Materials erfolgt. Diese Gewichtszu- oder -abnahme bewirkt eine Änderung der Gewichtskraft des Verdampfers die auf die bewegliche Lagerung des Verdampfers wirkt. Die Änderung der Gewichtskraft des Verdampfers ist infolgedessen verantwortlich für die Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Heizleistung der Heizeinrichtung abhängig von einer Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung. Die Heizleistung der Heizeinrichtung kann hierbei beispielsweise durch einen Regelkreis erfolgen, dessen Störgröße die Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung darstellt. Die Stellgröße wäre entsprechend die Heizleistung, welche mittels der Heizeinrichtung als Regler angepasst wird. Damit die Störgröße der Lageänderung einen wirksamen Einfluss auf den Regelkreis erlangen kann, sind Mittel zur Detektion der Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung angeordnet. Als Ausgangspunkt der Detektion ist die Lage des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung vor Beginn der Verdampfung und/oder einer Zuführung des Verdampfungsguts als Sollwert festgelegt. Ausgehend von diesem Sollwert führt jegliche Lageänderung zu einer Abweichung vom Sollwert, was letztlich zur Anpassung der Heizleistung als Stellgröße führt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Heizleistung der Heizeinrichtung abhängig vom Abstand des Verdampfers zur Heizeinrichtung, wobei der Abstand zwischen Heizeinrichtung und Verdampfer in Abhängigkeit vom Gewicht des Verdampfers eingestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Verdampfungsguts mittels eines Energieeintrags über Elektronen, welche von einer Elektronenquelle emittiert werden. Der Energieeintrag kann hierbei in Form von Wärmeenergie erfolgen, wobei der Energieeintrag direkt oder indirekt erfolgen kann. Beispielsweise kann der Energieeintrag mittels einer Elektronenquelle erfolgen, etwa einer elektronenemittierenden Heizwendel. Im Allgemeinen wird Energie mittels Teilchen durch deren kinetische Energie übertragen, beispielsweise durch die kinetische Energie der emittierten Elektronen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Verdampfers über die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen. Dafür wird ein elektrisches Feld zwischen der Heizeinrichtung, der Elektronenquelle, und dem Verdampfer erzeugt. Dieses beschleunigt die von der Elektronenquelle, beispielsweise einer elektronenemittierenden Heizwendel, emittierten Elektronen zum Verdampfer. Wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass der Verdampfer zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig ist oder aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, welches einen Stromfluß der Elektronen ermöglicht.
Die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen weisen eine kinetische Energie auf, die bei Auftreffen auf den Verdampfer in thermische Energie umgewandelt wird. Bei ausreichender Heizung liegt der raumladungsbegrenzten Emissionsstromdichte das Child Langmuirsche Gesetz zugrunde:
mit K~1/d_KA, wobei KA den Abstand von Kathode und Anode, hier von Verdampfer und Elektronenquelle wiedergibt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mittels des Energieeintrags über emittierte Elektronen der Verdampfer und darüber das Verdampfungsgut erwärmt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Heizleistung der Elektronenquelle abhängig vom Abstand zwischen Verdampfer und Elektronenquelle, wobei sich über die elektrische Feldstärke als Funktion des Abstandes der extrahierte Elektronenstrom und damit die Heizleistung der Elektronenquelle ergibt. Dabei erfolgt abhängig vom Tiegelfüllstand durch dessen Gewicht eine Abstandseinstellung zwischen Verdampfer und Elektronenquelle, wie beispielweise einer elektronenemittierenden Heizwendel, wodurch sich über die elektrische Feldstärke als Funktion des Abstandes der extrahierte Elektronenstrom und damit die Heizleistung UB·I ergibt. Dadurch ergibt sich von selbst ein Regelkreis, der die Heizleistung der Heizeinrichtung in Abhängigkeit von der Materialmenge des Verdampfungsguts im Verdampfer regelt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird über eine Zufuhreinrichtung Verdampfungsgut in den Verdampfer nachgeführt. Dies bedeutet, dass bei einer Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung durch Zuführung von Verdampfungsgut in den Verdampfer, also in Lotrichtung hin zur Heizeinrichtung, eine Abstandsänderung zwischen Verdampfer und Heizeinrichtung erfolgt, welche im Falle eines verringerten Abstands mit einer Erhöhung der Feldstärke korreliert. Daraus ergibt sich eine erhöhter Elektronenstrom, der aus der Raumladungswolke extrahiert wird und am Verdampfer in thermische Energie umgewandelt wird.
Eine solche Lageänderung kann beispielsweise bei Zuführung von Verdampfungsgut in den Verdampfer erfolgen, so dass eine Gewichtszunahme des Verdampfers in Höhe des Gewichts des zugeführten Verdampfungsguts erfolgt. Diese Gewichtszunahme bewirkt eine Änderung der Gewichtskraft des Verdampfers, die auf die bewegliche Lagerung des Verdampfers wirkt. Die Änderung der Gewichtskraft des Verdampfers ist infolgedessen verantwortlich für die Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung.
Infolge der Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung ergibt sich eine Abstandsänderung zwischen Verdampfer und Heizeinrichtung. Dadurch erhöhen sich die Feldstärke und damit die extrahierte Stromstärke.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gewichtsänderung des Verdampfers abhängig vom Verhältnis der Zuführung des Verdampfunsguts in den Verdampfer über die Zufuhreinrichtung und/oder der Verdampfungsrate des Verdampfungsguts im Verdampfer. Das Verhältnis der zugeführten Materialmenge des Verdampfungsguts in den Verdampfer und die Verdampfungsrate des Verdampfungsguts bestimmen die Menge des Verdampfungsguts im Verdampfer und mithin die Gewichtskraft des Verdampfers. Diese wiederum bestimmt den Abstand zwischen Verdampfer und Heizeinrichtung, welcher wiederum eine Abhängigkeit des Abstands zur Heizleistung der Heizeinrichtung zur Verdampfung des Verdampfungsguts im Verdampfer begründet.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Verdampfen eines Verdampfungsguts gelöst, wobei die Vorrichtung einen Verdampfer und eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Verdampfungsguts umfasst. Weiterhin weist der Verdampfer Mittel zur beweglichen Lagerung auf. Diese Mittel erlauben dem Verdampfer infolge der Beladung mit Verdampfungsgut mittels der Zuführeinrichtung eine Relativbewegung in Bezug auf die Heizeinrichtung.
Vorzugsweise erfolgt die Relativbewegung des Verdampfers lotrecht zur Heizeinrichtung. Besonders bevorzugt erfolgt dabei eine Abstandsänderung zwischen Verdampfer und Heizeinrichtung in Abhängigkeit der Materialmenge des Verdampfungsguts. Zur Detektion einer Lageänderung des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung sind zudem Mittel zur Detektion der Lageänderung angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zur Detektion der Lageänderung des Verdampfers als Mittel zur Feststellung einer Gewichtsänderung des Verdampfers ausgeführt. Dabei wird die Lageänderung infolge einer Gewichtsänderung des Verdampfers infolge der Verdampfung des Verdampfungsguts bewirkt. Die Veränderung des Gesamtgewichts des Verdampfers infolge der Verdampfung des Verdampfungsguts führt somit zu einer Änderung der Gewichtskraft des Verdampfers. Die veränderte Gewichtskraft kann beispielsweise mittels Federkraftelemente detektiert werden, wobei die Federkraftelemente der Gewichtskraft des Verdampfers entgegenwirken.
Gleiches kann auch mittels einer Anordnung von Gegengewichten zum Verdampfer detektiert werden. In jedem Fall wird die Änderung der Gewichtskraft des Verdampfers über die Mittel zur Detektion der Lageänderung detektiert. Dadurch kann beispielsweise die Änderung der Lage des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung als Störgröße in einen Regelkreis Eingang finden. Die Stellgröße wäre entsprechend die Heizleistung, welche mittels der Heizeinrichtung als Regler angepasst wird. Als Ausgangspunkt der Detektion ist die Lage des Verdampfers in Bezug auf die Heizeinrichtung vor Beginn der Verdampfung des Verdampfungsguts als Sollwert festgelegt. Ausgehend von diesem Sollwert führt jegliche Lageänderung zu einer Abweichung vom Sollwert, was letztlich zur Anpassung der Heizleistung als Stellgröße führt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Verdampfer zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig. Dies ermöglicht eine Erwärmung des Verdampfers und mithin des Verdampfungsguts über einen Stromfluß. Dabei ist es in der einfachsten Ausgestaltung ausreichend, wenn der Verdampfer zumindest abschnittsweise eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Damit könnten beispielsweise bevorzugte Verdampfungsbereiche am Verdampfer über die abschnittweise Gestaltung des Verdampfers eingestellt werden. Vorzugsweise ist der Verdampfer aus einem elektrisch leitfähigen Material gestaltet, wodurch eine gleichmäßige Verdampfung des Verdampfungsguts über den gesamten Bereich des Verdampfers realisiert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Heizeinrichtung eine Elektronenquelle. Diese Elektronenquelle emittiert Elektronen, die über den Verdampfer abfließen und so eine Stromfluß erzeugen. Die Erwärmung des Verdampfers und mithin des Verdampfungsguts erfolgt durch Umwandlung der kinetischen Energie der Elektronen beim Auftreffen auf die Anode (Verdampfer). In einer Ausgestaltung ist die Elektronenquelle als elektronenemittierende Heizwendel ausgeführt. Die Zahl der aus der Heizwendel emittierten Elektronen ist dabei eine Funktion der Temperatur und damit der Stromstärke und der angelegten Spannung an der Heizwendel. Durch die zwischen Tiegel und Heizwendel angelegte Beschleunigungsspannung U_B werden Elektronen dieser Raumladungswolke zum Tiegel hin beschleunigt und heizen diesen mit einer Leistung U_B·I.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Zuführeinrichtung zur kontinuierlichen Zuführung des Verdampfungsguts in den Verdampfer angeordnet. Dabei wird das das Verdampfungsgut über die Zufuhreinrichtung kontinuierlich in den Verdampfer nachgeführt. Dadurch wird eine kontinuierliche Verdampfung gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Zufuhreinrichtung des Verdampfungsguts als Drahtspule mit einem Vortriebsmittel ausgeführt. Das Vortriebsmittel kann hierfür beispielsweise in Form eines Zahnradantriebs oder einer Transportrolle ausgeführt sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Zufuhr des Verdampfungsguts als Draht durch eine Vakuumdurchführung von Luft in die evakuierte Verdampfungskammer.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Beschichtungsanlage zur Beschichtung von Substraten in einer Durchlaufbeschichtungsanlage eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und deren Ausgestaltungen können hierbei auch Teil einer Durchlaufbeschichtungsanlage zur Beschichtung von Substraten sein. In einer Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb einer Prozesskammer angeordnet sein und eine Beschichtung der Substrate, beispielsweise im Vakuum erfolgen. Es ist aber auch denkbar, eine definierte Prozessatmosphäre durch Inertgaseinleitung in die Prozesskammer herzustellen. Die Prozessatmosphäre kann hierfür an die Bedürfnisse des Beschichtungsvorgangs und der zu erzeugenden Schichten auf dem Substrat angepasst werden.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere vorteilhaft in einer Durchlaufbeschichtungsanlage, da bei kontinuierlicher Zuführung des Verdampfungsguts und der erfindungsgemäßen Anpassung der Heizleitung an die zugeführte Materialmenge des Verdampfungsguts in den Verdampfer eine gleichmäßige Verdampfungsrate gewährleistet wird, wodurch eine gleichbleibende Beschichtung bei einer quasi-Endlos-Beschichtung möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren zur Beschichtung von Substraten in einer Durchlaufbeschichtungsanlage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet. Dabei erweist sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere in Durchlaufbeschichtungsanlage als vorteilhaft, da die Heizleistung proportional der zugeführten Materialmenge des Verdampfungsguts gesteigert wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Beschichtung erzielt, deren Stellgröße die Menge des zugeführten Verdampfungsguts darstellt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen eingehender erläutert werden. Es zeigen in
1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel und in
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiele:
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist in 1 eine Vorrichtung 1 zum Verdampfen von Verdampfungsgut 3, beispielsweise ein Metall, dargestellt. Diese verdampfte Verdampfungsgut 3 wird auf einem Substrat 9 abgeschieden. Die Vorrichtung 1 zum Verdampfen von Verdampfungsgut 3 weist einen Verdampfer 2 in Form eines Tiegels und eine Heizeinrichtung 4 auf, welche als elektronenemittierende Heizwendel ausgeführt ist. Der Tiegel 2 ist zudem mit Mitteln zur beweglichen Lagerung 5 versehen, die eine Lageänderung des Tiegels 2 in Abhängigkeit der Menge an Verdampfungsgut 3 im Verdampfer 2 erlaubt. Zur Detektion der Lageänderung des Tiegels 2 in Bezug auf die Heizeinrichtung 4 sind zudem Mittel zur Detektion der Lageänderung 6 in Form von Federkraftelementen vorgesehen.
Über eine Zuführeinrichtung 7 in Form einer Drahtspule wird während des Verdampfungsvorgangs Verdampfungsmaterial in Form von Draht 8 in den Tiegel 2 zugeführt. Durch die Zuführung des Verdampfungsmaterials in Form von Draht 8 ergibt sich eine Änderung der Materialmenge des Verdampfungsguts 3 im Tiegel 2. Infolgedessen ergibt sich eine Änderung des Gesamtgewichts des Tiegels 2, was wiederum zu einer veränderten Gewichtskraft des Tiegels 2 führt. Infolgedessen kommt es zu einer Änderung des Abstands zwischen Tiegel 2 und Heizwendel 4. Durch die Abstandsänderung des Tiegels 2 hin zur Heizwendel 4 ergibt sich eine erhöhte Feldstärke, was wiederum zu einer Erhöhung des am Tiegel abfließenden Stroms führt. Diese Erhöhung der Stromstärke infolge der erhöhten Anzahl der Elektronen, welche auf den Tiegel 2 auftreffen, bewirkt eine Erhöhung der Heizleistung und damit der Verdampfungsrate des Verdampfungsguts 3 im Tiegel 2.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die in 1 dargestellten Federelemente 6 Teil eines nicht näher dargestellten Regelkreislaufs, welcher eine Lageänderung des Tiegels 2 in Bezug auf die Heizwendel 4 als Störgröße über die Auslenkung der Federelemente 6 infolge der Gewichtskrafterhöhung des Tiegels 2 bei Zuführung von Verdampfungsgut in Form von Draht 8 detektiert. Diese Gewichtskraftänderung des Tiegels 2 bewirkt nun über den Regelkreis eine Erhöhung der Heizleistung der Heizwendel 4 über eine Spannungserhöhung an der Heizwendel 4. Dadurch werden mehr Elektronen von der Heizwendel emittiert, welche über bei ausreichender Feldstärke vor der Kathode abgesaugt und zur Anode (Tiegel) 2 emittiert werden. Dadurch treffen mehr Elektronen am Tiegel 2 auf, was sich wiederum in einer Erhöhung der Heizleistung äußert.
Da die Heizleistung des Tiegels 2 wesentlich durch das Produkt von Stoßspannung und Stromstärke bestimmt wird und der elektrische Widerstand des Tiegels 2 nahezu keine Rolle spielt, ist die Standzeit einer solchen Einrichtung nicht durch Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Tiegelmaterials begrenzt, wie es bei strombeheizten Schiffchen der Fall ist. Die Zuführungsquerschnitte des Verdampfungsmaterials in Form von Draht 8 können hierbei klein gehalten werden. In der Wahl des Tiegelmaterials für das Verdampfungsgut 3, 8 ergeben sich dadurch vielmehr Freiheitsgrade, da der spezifische Widerstand vernachlässigbar ist, solange die Elektronen abgeleitet werden können.
In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich ein weiterer technischer Vorteil dadurch, dass mehrere Tiegel 2 nebeneinander mit der gleichen Stromversorgung betreibbar sind. Jeder Tiegel 2 regelt seine Heizleistung nach dem eigenen Materialnachschub des Verdampfungsmaterials in Form von Draht 8. Auf diese Weise kann die Schichtdicke mit einem einfachen Regelkreis in weiten Bereichen über Messung der Schichtdicke und entsprechende Anpassung de Materialnachschubs des Verdampfungsmaterials in Form von Draht 8 eingestellt und geregelt werden, ohne direkt in den Verdampfungsprozess der einzelnen Quellen eingreifen zu müssen. Die Form des zugeführten Verdampfungsmaterials in Form von Draht 8 und auch die Größe der Tiegel 2 sind in weiten Bereichen wählbar und an verschiedene Anwendungen anpassbar. Dadurch ist eine flexible Verdampfungsvorrichtung verfügbar.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Mittel zur Detektion der Lageänderung 6 als Gegengewichte zum als Tiegel ausgeführten Verdampfer 2 ausgeführt (2). Analog der obigen Ausführungsformen ermöglichen die Gegengewichte 6 eine Relativbewegung des Tiegels 2 in Bezug auf die als elektronenemittierende Heizwendel ausgeführte Heizeinrichtung 4 bei Zuführung von Verdampfungsmaterial in Form von Draht 8.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die in 2 dargestellten Gegengewichte 6 Teil eines nicht näher dargestellten Regelkreislaufs, welcher eine Lageänderung des Tiegels 2 in Bezug auf die Heizwendel 4 als Störgröße über die Auslenkung der Gegengewichte 6 infolge der Gewichtskrafterhöhung des Tiegels 2 bei Zuführung von Verdampfungsgut in Form von Draht 8 detektiert. Diese Gewichtskraftänderung des Tiegels 2 bewirkt nun über den Regelkreis eine Erhöhung der Heizleistung der Heizwendel 4 über eine Spannungserhöhung an der Heizwendel 4. Dadurch werden mehr Elektronen von der Heizwendel emittiert, welcher bei ausreichend hoher Feldstärke vor der Kathode abgesaugt und zum Tiegel 2 hin beschleunigt werden können. Als Regelgrößen des Regelkreises sind die Heizleistung der Heizwendel 4, die Beschleunigungsspannung zwischen Heizwendel 4 und Tiegel 2 sowie Abstand zwischen Heizwendel 4 und Tiegel 2 anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Verdampfung von Verdampfungsgut
2: Verdampfer
3: Verdampfungsgut
4: Heizeinrichtung
5: Mittel zur beweglichen Lagerung
6: Mittel zur Detektion der Lageänderung
7: Zuführeinrichtung für Verdampfungsgut
8: zugeführtes Verdampfungsgut
9: Substrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0028514 A1 [0003]
EP 0880606 B1 [0004]
DE 102006026523 A1 [0006]
DD 125996 A [0007]
DE 4238514 A1 [0008]
DE 10249151 B4 [0009]

Claims

Verfahren zum gleichmäßigen Verdampfen eines Verdampfungsguts (3) in einem Verdampfer (2), wobei das Verdampfungsgut (3) im Verdampfer (2) über eine Heizeinrichtung (4) erwärmt und verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lageänderung aufgrund einer Gewichtsänderung des Verdampfers (2) in Bezug auf die Heizeinrichtung (4) mittels einer beweglichen Lagerung (5) erfolgt und die Heizleistung der Heizeinrichtung (4) in Abhängigkeit besagter Lageänderung des Verdampfers (2) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsänderung des Verdampfers (2) in Abhängigkeit der Änderung der Menge des Verdampfungsguts (3) im Verdampfer (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageänderung als eine Änderung des Abstandes zwischen Verdampfer (2) und Heizeinrichtung (4) realisiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Verdampfungsguts (3) mittels eines Energieeintrags über Elektronen erfolgt, welche von einer Elektronenquelle (4) emittiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Energieeintrags über emittierte Elektronen der Verdampfer (2) und darüber das Verdampfungsgut (3) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Elektronenquelle (4) abhängig ist vom Abstand zwischen Verdampfer (2) und Elektronenquelle (4), wobei sich über die elektrische Feldstärke als Funktion des Abstandes der extrahierte Elektronenstrom und damit die Heizleistung der Elektronenquelle (4) ergeben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Zufuhreinrichtung (7) Verdampfungsgut (8) in den Verdampfer (2) nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsänderung des Verdampfers (2) abhängig ist vom Verhältnis der Zuführung des Verdampfungsguts (3) in den Verdampfer (2) über die Zufuhreinrichtung (7) und/oder der Verdampfungsrate des Verdampfungsguts (3) im Verdampfer (2).
Vorrichtung (1) zum gleichmäßigen Verdampfen eines Verdampfungsguts (3) mit einem Verdampfer (2) und einer Heizeinrichtung (4) zur Erwärmung des Verdampfungsguts (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (2) Mittel zur beweglichen Lagerung (5) aufweist und weiterhin Mittel zur Detektion einer Lageänderung (6) des Verdampfers (2) in Bezug auf die Heizeinrichtung (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion der Lageänderung (5) des Verdampfers (2) als Mittel zur Detektion einer Gewichtsänderung (6) des Verdampfers (2) ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion der Gewichtsänderung (6) des Verdampfers (2) als Federkraftelemente ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion der Gewichtsänderung (6) des Verdampfers (2) als Gegengewicht zum Verdampfer ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (2) zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (4) eine Elektronenquelle umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführeinrichtung (7) zur kontinuierlichen Zuführung des Verdampfungsguts (8) in den Verdampfer (2) angeordnet ist.
Beschichtungsanlage zur Beschichtung von Substraten (9) in einer Durchlaufbeschichtungsanlage umfassend eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15.
Verfahren zur Beschichtung von Substraten (9) in einer Durchlaufbeschichtungsanlage wobei Verdampfungsgut nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 verdampft wird und sich auf einem Substrat (9) niederschlägt.