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Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung zur Abscheidung von ferromagnetischem Beschichtungsmaterial auf einem Substrat, die eine Elektronenkanone mit einem integrierten ansteuerbaren Ablenksystem, mindestens ein externes magnetisches Umlenksystem und eine Verdampfungsquelle mit dem zu verdampfenden ferromagnetischen Beschichtungsmaterial enthält. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Abscheidung von ferromagnetischem Beschichtungsmaterial auf einem Substrat, bei dem eine Verdampfung des Beschichtungsmaterials durch den Beschuss des Beschichtungsmaterials mit einem in einer Elektronenkanone erzeugten und über mindestens ein externes magnetisches Umlenkfeld auf das zu verdampfende ferromagnetische Beschichtungsmaterial umgelenkten Elektronenstrahl erfolgt und das verdampfte Beschichtungsmaterial auf dem Substrat abgeschieden wird.
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Das Elektronenstrahlverdampfen wird häufig in Beschichtungsanlagen eingesetzt, die die Methode der physikalischen Gasphasenabscheidung nutzen. Dabei wird ein in einer Elektronenkanone erzeugter Elektronenstrahl auf das zu verdampfende Beschichtungsmaterial geleitet, um dort die entsprechende Energie einzutragen, die erforderlich ist, um dieses Beschichtungsmaterial in die Gasphase zu überführen und auf einem ebenfalls in der Beschichtungsanlage befindlichen Substrat wieder abzuscheiden.
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Dabei ist es aus verschiedenen Gründen, von denen die meisten geometrischer Natur sind, üblich, den Elektronenstrahl mit Hilfe von externen magnetischen Umlenkfeldern auf den Tiegel der Verdampfungsquelle, in dem sich das zu verdampfende Schichtmaterial befindet, umzulenken, um einen optimalen Einfall des Elektronenstrahls und damit einen optimalen Eintrag des Energie des Elektronenstrahls in das zu verdampfende Beschichtungsmaterial zu ermöglichen. Da sich das Substrat zur Gewährleistung einer maximalen Ausnutzung des verdampften Beschichtungsmaterials möglichst senkrecht gegenüber und möglichst nahe an der Verdampfungsquelle befinden muss, kann die Elektronenkanone nicht an dieser Stelle senkrecht gegenüber der Verdampfungsquelle angeordnet werden, obwohl ein senkrechtes Auftreffen des Elektronenstrahls auf das zu verdampfende Beschichtungsmaterial zu einer Minimierung der Leistungsverluste und damit zu einem besonders effektiven Energieeintrag und folglich einer besonders effektiven Verdampfung des Beschichtungsmaterials in der Verdampfungsquelle führt. Magnetische Ablenkfelder werden deshalb genutzt, um den aus einer in der Regel auf einer Seite neben oder unter dem Substrat außerhalb des Abscheidebereichs der Beschichtungsanlage angeordneten Elektronenkanone kommenden Elektronenstrahl so umzuleiten, dass er nahezu senkrecht auf dem zu verdampfenden Beschichtungsmaterial auftrifft.
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Sollen jedoch ferromagnetische Materialien verdampft werden, so wird das für die Umlenkung des Elektronenstrahls eingesetzte externe magnetische Umlenkfeld durch diese Materialien zunächst stark verzerrt, und der Elektronenstrahl kann nicht in gewünschter Weise umgelenkt werden. Das hat zur Folge, dass der Elektronenstrahl das Verdampfungsgut nicht in gewünschter Weise erreicht, so dass der Verdampfungsprozess nicht in der vorgesehenen Weise gestartet werden kann. Dabei ist es möglich, dass der aus der Elektronenkanone kommende Elektronenstrahl den Bereich des Tiegels der Verdampfungsquelle durch diese verfälschte Umlenkung aufgrund der ferromagnetischen Eigenschaften des zu verdampfenden Beschichtungsmaterials verlässt, auf andere Anlagenteile der Beschichtungsanlage trifft und diese im Extremfall zerstört.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, auch für ferromagnetische Beschichtungsmaterialen Lösungswege zu finden, die es ermöglichen, die Vorteile von externen magnetischen Umlenkfeldern beim Einsatz in der Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung zur effektiven Verdampfung dieser ferromagnetischen Beschichtungsmaterialien in einer Beschichtungsanlage nutzen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung für eine Beschichtungsanlage zur Abscheidung von ferromagnetischen Beschichtungsmaterialen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung zur Verdampfung von ferromagnetischen Beschichtungsmaterialen mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 17 geben Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösung wieder.
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Die erfindungsgemäße Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung zur Abscheidung von ferromagnetischen Beschichtungsmaterialien auf einem Substrat enthält danach eine Elektronenkanone mit einem in die Elektronenkanone integrierten ansteuerbaren Ablenksystem zur Positionierung des Elektronenstrahls und zur Figurenerzeugung, ein externes, d. h. nicht innerhalb der Elektronenkanone befindliches magnetisches Umlenksystem zur zusätzlichen Krümmung des Elektronenstrahls im Prozessraum der Beschichtungsanlage und eine Verdampfungsquelle mit dem zu verdampfenden ferromagnetischen Beschichtungsmaterial sowie außerdem Vorwärmmittel zur Vorwärmung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials auf eine Vorwärmtemperatur oberhalb seiner Curie-Temperatur. Die Curie-Temperatur gibt dabei die Temperatur eines ferromagnetischen Materials an bei deren Erreichen es seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert, so dass es oberhalb seiner Curie-Temperatur nur noch paramagnetisch ist, d. h. nur noch in einem externen Magnetfeld derart magnetisiert, dass er dieses Magnetfeld in seinem Inneren verstärkt, jedoch kein eigenes Magnetfeld aufweist. Damit markiert die Curie-Temperatur eines ferromagnetischen Materials den Phasenübergang von seiner ferromagnetischen Phase in seine paramagnetische Hochtemperaturphase. Gelangt ursprünglich ferromagnetisches Material wieder in den Temperaturbereich unterhalb seiner Curie-Temperatur, so erlangt es seine ferromagnetischen Eigenschaften wieder zurück, d. h., es zeigt sich ohne äußeres Magnetfeld eine spontane Magnetisierung der Weiss-Bezirke. Da hier eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Verdampfung eines Beschichtungsmaterials mit eben dieser Eigenschaft beschrieben wird, sei hier angemerkt, dass die Bezeichnung „ferromagnetisches Beschichtungsmaterial” auch dann weiter genutzt werden soll, wenn seine Temperatur oberhalb seiner Curie-Temperatur liegt und dieses Beschichtungsmaterial gerade keine ferromagnetischen Eigenschaften zeigt.
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Solange das ferromagnetische Beschichtungsmaterial also eine Temperatur oberhalb seiner Curie-Temperatur ausweist, ist eine Verdampfung mittels Elektronenstrahl, der durch ein externes magnetisches Umlenkfeld auf das (ursprünglich) ferromagnetische Beschichtungsmaterial umgeleitet wird, in gleicher Art und Weise möglich wie bei nichtferromagnetischen Materialien, da sich das (ursprünglich) ferromagnetische Beschichtungsmaterial oberhalb seiner Curie-Temperatur paramagnetisch verhält und damit das magnetische Ablenkfeld nicht mehr stört. Um die Stabilität des so erfolgenden Beschichtungsprozesses der ferromagnetischen Schicht auf ein Substrat nicht zu stören und homogene Schichten auf dem Substrat zu erhalten, ist es dabei nötig, dass die Abscheidung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials auf dem Substrat mittels Elektronenstrahlverdampfung nur so lange erfolgt, wie das Beschichtungsmaterial auch wirklich eine Temperatur oberhalb seiner Curie-Temperatur aufweist.
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Dabei kann die Vorwärmung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials entweder durch externe d. h. sich nicht dauerhaft in der Beschichtungsanlage befindliche, Vorwärmmittel oder durch interne Vorwärmmittel zum Energieeintrag in das ferromagnetische Beschichtungsmaterial erfolgen.
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In einer einfachen Ausführung, die allerdings nicht für einen höhen Durchsatz von zu beschichtenden Substraten in der Beschichtungsanlage geeignet ist, erfolgt diese Vorwärmung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials vor Beginn des Beschichtungsprozesses bei geöffneter Beschichtungsanlage mittels eines externen Energieeintrags, z. B. durch Heizen mit Brennern oder ähnlichem außerhalb der Beschichtungsanlage. Die Beschichtungsanlage muss anschließend so schnell geschlossen und unter den Einschaltdruck des Elektronenstrahls abgepumpt werden, dass die Curie-Temperatur des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials bis zum Beginn des Beschichtungsprozesses und während des gesamten Beschichtungsprozesses nicht unterschritten wird. Komfortabler und für einen hohen Durchsatz wesentlich besser geeignet ist jedoch die Vorwärmung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials vor der Abscheidung durch Energieeintrag in das ferromagnetische Beschichtungsmaterial mit internen, d. h. sich dauerhaft innerhalb der Beschichtungsanlage befindlichen Vorwärmmitteln. Dabei können vorteilhafterweise solche Vorwärmmittel zum Energieeintrag eingesetzt werden, die einen schnellen und direkten Energieeintrag während des Vorwärmprozesses gewährleisten und beim anschließend folgenden Beschichtungsprozess des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials die Stabilität dieses Beschichtungsprozesses erhöhen oder zumindest nicht verschlechtern. In einer speziellen Ausführungsform ist es möglich, die Vorwärmung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials mit dem Elektronenstrahl derselben Elektronenkanone zu realisieren, der dann auch zur Durchführung der Elektronenstrahlverdampfung des (ursprünglich) ferromagnetischen Beschichtungsmaterials während des danach folgenden Beschichtungsprozesses vorgesehen ist. Dazu kann ein zusätzliches und wegschwenkbares und/oder abschaltbares externes magnetisches Umlenksystem für den Elektronenstrahl vorgesehen sein, um den Elektronenstrahl auch während der Vorwärmphase auf das ferromagnetische Beschichtungsmaterial umzuleiten, wobei eine hierfür geeignete Positionierung des zusätzlichen externen magnetischen Umlenksystems zu wählen ist, um eine Kompensation der magnetischen Eigenschaften des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials, die es unterhalb seiner Curie-Temperatur zeigt, zu erreichen.
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Auch ist es möglich, dass zur Vorwärmung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials eine oder mehrere Elektronenkanonen währende der Vorwärmphase anstelle des Substrats oder direkt neben dem Substrat angeordnet werden, durch die dann ein Direktbeschuss des vorzuwärmenden ferromagnetischen Beschichtungsmaterials von oben erfolgen kann.
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Weitere denkbare Vorwärmmittel zum Energieeintrag in das ferromagnetische Beschichtungsmaterial zu seiner Vorwärmung können durch die induktive Einkopplung der Energie in das Beschichtungsmaterial, direkten Stromdurchfluss durch das sich im Tiegel der Verdampfungsquelle befindliche ferromagnetische Beschichtungsmaterial, den Einsatz einer Hohlkathode, einer Bogenentladung, eines Strahlungsheizers, einer Gasentladung und/oder eines Laser gegeben sein. Diese Vorwärmmittel können sowohl jedes für sich allein oder aber auch mehrere gleichzeitig eingesetzt werden und werden in Abhängigkeit von dem konkret zu realisierenden Beschichtungsprozess ausgewählt.
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Desweiteren kann es sich als günstig erweisen, das ferromagnetische Beschichtungsmaterial gegenüber dem Tiegel der Verdampfungsquelle, in dem es sich befindet, thermisch zu isolieren. Speziell wenn das zu verdampfende ferromagnetische Beschichtungsmaterial in einem wassergekühlten Tiegel liegt, ist für eine schnelle Vorwärmung ein Energieeintrag in ähnlicher Größenordnung erforderlich, wie bei der nachfolgenden Verdampfung. Eine Isolationsmöglichkeit zur thermischen Isolation des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials gegenüber seinem Tiegel hilft deshalb, den zur Vorwärmung nötigen Energieeintrag signifikant zu senken. Um diese thermische Isolation zu realisieren, kann beispielsweise das ferromagnetische Beschichtungsmaterial durch eine dafür vorgesehene Hubeinrichtung, die das Beschichtungsmaterial an diskreten Auflagebereichen angreift, in eine dafür vorgesehene Position verbracht werden. So kann der Tiegel mit einer Hubeinrichtung ausgestattet sein, die es erlaubt das zu vorzuwärmende, ferromagnetische Beschichtungsmaterial auf Trägerpunkte geringfügig anzuheben.
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Dabei ist es möglich, die Auflagebereiche der Hubeinrichtung gegenüber dem Tiegel und gegenüber der Masse isoliert zu gestalten und mit einer Stromversorgung zur Aufheizung des Beschichtungsmaterials zu versehen. Dies bietet die Möglichkeit, im Vorwärmprozess das Beschichtungsmaterial durch direkten, über die diskreten, gegenüber dem Tiegel und der Masse elektrisch isoliert Auflagebereiche durch eben dieses Beschichtungsmaterial geführten Stromfluss aufzuheizen.
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Es ist vorteilhaft, den Zustand des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials sicher zu überwachen, insbesondere während des der Vorwärmphase folgenden eigentlichen Beschichtungsprozesses, da sonst der Elektronenstrahl, der zur Verdampfung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials auf dieses durch ein magnetisches Ablenkfeld umgelenkt wird, bei Unterschreiten der Curie-Temperatur des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials durch das zusätzlich wiederauftretende Magnetfeld des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials durch seine wiederauftretenden ferromagnetischen Eigenschaften so abgelenkt werden kann, dass die Beschichtungsbedingungen nicht mehr stabil gehalten werden können oder der Elektronenstrahl gar den Bereich des Tiegels verlassen und Anlagenteile in der Beschichtungsanlage zerstören könnte. Zu diesem Zwecke kann die Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung Kontrollmittel zur Überwachung des Zustands des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials enthalten. Die von den Kontrollmitteln gelieferten Messwerte können dann vorteilhafterweise zur Zu- und/oder Abschaltung des zur Verdampfung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials eingesetzten Elektronenstrahls verwendet werden, wenn der zur Überwachung der magnetischen Eigenschaften des zu verdampfenden ferromagnetischen Beschichtungsmaterials genutzte Sollwert erreicht ist bzw. der Sollbereich wieder verlassen wird.
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Diese Überwachung kann dabei konkret anhand der Messung der Temperatur des zu verdampfenden ferromagnetischen Beschichtungsmaterials, die man z. B. pyrometrisch oder durch Thermoelementmessungen oder durch Messung der Kühlwasserleistung des Tiegels bestimmen kann, erfolgen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Magnetfeld in seiner Stärke und/oder seiner Richtung an bestimmten Positionen, vorteilhaft zwischen den Polen des externen magnetischen Umlenksystems, zu messen. Beide Methoden können sowohl getrennt als auch gemeinsam zur Überwachung herangezogen werden.
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Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Die 1 zeigt eine Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung für eine Beschichtungsanlage zur Abscheidung von ferromagnetischen Beschichtungsmaterialien 4 auf einem Substrat 1.
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Die Elektronenstrahlverdampfung des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials 4 wird hier mit einer Elektronenkanone 2 ausgeführt, bei der es sich um eine Axialelektronenkanone handelt. Der Elektronenstrahl 6, der ursprünglich genutzt wird, um während des Beschichtungsprozesses Energie in das Beschichtungsmaterial einzutragen und es dadurch zu verdampfen, verlässt die Elektronenkanone 2 in einer durch das in die Elektronenkanone 2 integrierte Ablenksystem eingestellten Richtung. Im erfindungsgemäßen Anwendungsbeispiel wird nun dieser Elektronenstrahl 8 zunächst durch ein zusätzliches externes magnetisches Umlenksystem 7, das nur für die Vorwärmung genutzt wird und anschließend wieder abgeschaltet und/oder weggeschwenkt werden kann, soweit zum Tiegel 3a hin umgelenkt, dass er trotz der aktiven ferromagnetischen Eigenschaften, die das ferromagnetische Beschichtungsmaterial 4 im nichtvorgewärmten Zustand, d. h. bei einer Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur hat, auf dem ferromagnetischen Beschichtungsmaterial 4 im Tiegel 3a auftrifft und dieses erwärmen kann. In einer etwas modifizierten Ausführung dieses Systems ist es jedoch auch möglich, ohne zusätzliches magnetisches Ablenksystem für die Vorwärmung zu arbeiten, sondern den Elektronenstrahl vermittels des in der Elektronenkanone 2 integrierten Ablenksystems so in Richtung der Verdampfungsquelle 3, die das ferromagnetische Material 4 enthält, einzuschießen, dass der Elektronenstrahl für die Vorwärmung 8 direkt auf dem ferromagnetischen Material 4 unter flachem Einfallwinkel auftrifft. Der Zustand des ferromagnetischen Materials 4 wird dabei durch die Messung der Kühlwasserleistung der Wasserkühlung 3b des Tiegels 3a bestimmt, aus der die tatsächliche Temperatur des ferromagnetischen Materials 4 bestimmt wird. Wird die Curie-Temperatur des ferromagnetischen Materials 4 überschritten, so wird die Vorwärmungsphase beendet, hierfür gegebenenfalls das zusätzliche externe magnetische Umlenksystem 7, das während der Vorwärmung genutzt wurde, wieder abgeschaltet und/oder weggeschwenkt, um mit dem eigentlichen Beschichtungsprozess zu beginnen, bei dem der aus der Elektronenkanone 2 austretende austretenden Elektronenstrahl 6 dann nur durch das externe magnetische Umlenksystem 5 für den Beschichtungsprozess nahezu senkrecht auf das ferromagnetische Beschichtungsmaterial 4 gelenkt wird, wodurch dieses zum Verdampfen gebracht wird. Das so verdampfte ferromagnetische Beschichtungsmaterial 4 wird auf dem sich gegenüber der Verdampfungsquelle 3 in der Beschichtungsanlage befindliche bzw. in einer anderen Variante dieses Ausführungsbeispiels erst zu Beginn des Beschichtungsprozesses an diese Stelle eingeführte Substrat 1 wieder abgeschieden, kühlt hier ab und erhält so seine ferromagnetischen Eigenschaften wieder.
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Die in diesem Anwendungsbeispiel beschriebene Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung, bei der die Verdampfungsquelle 3 einen wassergekühlten Tiegel 3a enthält, bietet weiterhin wahlweise die Möglichkeit, das ferromagnetische Beschichtungsmaterial 4 für eine schnelle Vorwärmung durch eine Hubeinrichtung, die in der 1 nicht dargestellt ist, auf Trägerpunkte anzuheben und damit thermisch vom wassergekühlten Tiegel 3a zu isolieren. Zudem kann das auf diese Trägerpunkte angehobene ferromagnetische Beschichtungsmaterial 4 über diese punktförmigen Auflagen zusätzlich durch direkten Stromfluss geheizt werden, wobei der Zustand des ferromagnetischen Beschichtungsmaterials 4 in diesem Fall nicht mehr über die Messung der Kühlwasserleistung des Tiegels 3a bestimmt werden kann sondern hierfür eine andere Überwachungsmöglichkeit, im einfachsten Fall ein Pyrometer, eingesetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- Elektronenkanone
- 3
- Verdampfungsquelle
- 3a
- Tiegel
- 3b
- Wasserkühlung
- 4
- ferromagnetisches Beschichtungsmaterial
- 5
- externes magnetisches Umlenksystem für den Beschichtungsprozess
- 6
- Elektronenstrahl für den Beschichtungsprozess
- 7
- externes magnetisches Umlenksystem für die Vorwärmung
- 8
- Elektronenstrahl für die Vorwärmung
