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Die Erfindung betrifft eine Verdampfereinrichtung für eine Beschichtungsanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Koverdampfung von mindestens zwei Substanzen zum Erzeugen einer Mischschicht gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Der Begriff physikalische Gasphasenabscheidung (engl. physical vapor deposition, PVD) bezeichnet eine Gruppe von vakuumbasierten Beschichtungsverfahren, bei denen die Schicht durch Kondensation eines Materialdampfes des Ausgangsmaterials gebildet wird.
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Diese Verfahren laufen wie folgt ab:
Dampferzeugung der schichtbildenden Teilchen,
Transport des Dampfes zum Substrat,
Kondensation des Dampfes auf dem Substrat und Schichtbildung.
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Zu den PVD-Verfahren zählt unter anderem das thermische Verdampfen. Dabei wird das Ausgangsmaterial auf Temperaturen erhitzt, bei denen aufgrund des erhöhten Dampfdruckes im Vakuum nennenswerte Verdampfung einsetzt. Das verdampfte Material wandert von der Verdampfungsquelle durch die Vakuumkammer zu dem gegenüberliegenden Substrat. Der Materialdampf schlägt sich dort nieder und bildet eine dünne Schicht.
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Zur Durchführung thermischer Verdampfungsverfahren wird eine Verdampfereinrichtung zur Abscheidung von Bedampfungsmaterial auf Substrate vorgeschlagen, die einen Primärverdampfer sowie einen mit dem Primärverdampfer dampfleitend verbundenen Dampfverteiler umfasst.
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Nach dem Stand der Technik bekannt sind Linearverdampfer mit Dampfverteiler in Form von Düsenrohren mit etwa kreisförmigem Querschnitt, wie beispielhaft in
DE 101 28 091 oder
WO 2009/010468 A1 beschrieben wird. Andere Verdampfungseinrichtungen nach dem Stand der Technik verwenden Dampfverteiler mit etwa quadratischem Querschnitt, wobei Dampfaustrittsöffnungen etwa in der Mitte einer der Seiten des Quadrates vorgesehen sind, wie zum Beispiel in
WO 2006/046998 oder
WO 2008/041671 aufgeführt ist. Eine weitere bekannte Lösung verwendet einen Dampfverteiler mit einem aus mehreren Teilflächen bestehenden Querschnitt, wobei Dampfaustrittsöffnungen in einem schmalen Bereich zwischen zwei weiteren Begrenzungsflächen angeordnet, deren Normalen die einen Winkel von ca. 120° einschließen, siehe
WO 2005/098079 A1 .
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Die bekannten Einrichtungen haben den Nachteil, dass insbesondere in Koverdampfer-Anordnungen von zwei oder mehreren Quellen der Abstand zwischen Dampfverteiler und Substrat relativ groß, typischerweise größer als 100 mm, gewählt werden muss, wodurch ein großer Anteil Dampfes nicht das Substrat erreicht.
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Weitere Lösungen nach dem Stand der Technik verwenden konstruktiv aufwändige Strukturen zur eng benachbarten Platzierung von Dampfaustrittsöffnungen der beiden Einzelquellen eines Koverdampfers, welche aufgrund der komplexen Form schwierig zu fertigen und zu heizen sind (
EP 1 632 586 A2 ).
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Verdampfereinrichtung anzugeben, welche sowohl in Einzelverdampferanordnung als auch in Koverdampferanordnung einen sehr geringen Abstand zwischen Dampfverteiler und Substrat ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Koverdampfung mindestens zweier Substanzen anzugeben, bei dem die Verluste durch Streudampf gering gehalten werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Verdampfereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird eine lineare Verdampfereinrichtung zur Abscheidung von Bedampfungsmaterial auf Substrate, die mindestens einen beheizbaren Primärverdampfer sowie mindestens einen mit dem mindestens einen Primärverdampfer dampfleitend verbundenen langgestreckten, beheizbaren Dampfverteiler umfasst, der eine Reihe von linear angeordneten Dampfaustrittsöffnungen aufweist, wobei der Dampfverteiler ein unrundes Verteilerrohr umfasst, welches mindestens eine abgeflachte Teilfläche aufweist und wobei die Dampfaustrittsöffnungen entlang einer Begrenzung der mindestens einen abgeflachten Teilfläche angeordnet sind.
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Unter einer abgeflachten Teilfläche soll dabei eine Teilfläche verstanden werden, deren Krümmung geringer ist als die restliche Begrenzungsfläche des Dampfverteilers. Hierdurch lässt sich erreichen, dass mehrere Dampfverteiler mit einem geringeren Abstand zueinander angeordnet werden können als bei bekannten Dampfverteilern. Dabei kann eine abgeflachte Teilfläche im Grenzfall eben sein. Durch das weitere Merkmal, dass die Dampfaustrittsöffnungen entlang einer Begrenzung der abgeflachten Teilfläche angeordnet sind, kann die Wirkrichtung der Dampfaustrittsöffnungen am Rand der Teilfläche und dort beispielsweise schräg zur Normalen der abgeflachten Teilfläche ausgerichtet werden.
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Unter der Normalen der Teilfläche ist dabei die Richtung senkrecht zur abgeflachten Teilfläche zu verstehen. Diese kann daher über die Teilfläche gesehen unterschiedlich ausgerichtet sein. Nur bei ebenen Teilflächen hat die Normale in jedem Punkt die gleiche Richtung. Außerdem können mehrere Dampfverteiler relativ zueinander so angeordnet werden, dass die Wirkrichtungen ihrer jeweiligen Dampfaustrittsöffnungen aufeinander zu gerichtet sind, so dass beispielsweise beim Verdampfen unterschiedlicher Substanzen aus nebeneinander angeordneten Dampfverteilern die Substanzen das Substrat auf derselben Stelle treffen.
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Unter einer Anordnung der Dampfaustrittsöffnungen entlang einer Begrenzung der mindestens einen abgeflachten Teilfläche soll dabei verstanden werden, dass die Dampfaustrittsöffnungen (1) nahe einer Begrenzung der abgeflachten Teilfläche innerhalb der abgeflachten Teilfläche oder (2) nah einer Begrenzung der abgeflachten Teilfläche außerhalb der abgeflachten Teilfläche, d. h. innerhalb einer angrenzenden Teilfläche des Dampfverteilers oder (3) genau auf der Begrenzung der Teilfläche angeordnet sind. Dabei soll der Begriff „nah” verdeutlichen, dass der Abstand der Dampfaustrittsöffnungen zu einer Begrenzung der abgeflachten Teilfläche geringer ist als zu einer gegenüberliegenden Begrenzung derselben abgeflachten Teilfläche.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens zwei abgeflachte Teilflächen so zueinander angeordnet sind, dass ihre Normalen einen Winkel von 90° oder mehr einschließen, und die Dampfaustrittsöffnungen zwischen diesen beiden Teilflächen angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die beiden abgeflachten Teilflächen unter einem Winkel von höchstens 90° zueinander angeordnet. Stoßen die mindestens zwei Teilflächen aneinander, so sind die Dampfaustrittsöffnungen nach der hier beschriebenen Ausgestaltung genau auf der Grenzlinie zwischen den Teilflächen angeordnet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Verteilerrohr einen etwa rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist, und die Dampfaustrittsöffnungen auf einer durch die gemeinsame Begrenzung zweier aneinander grenzender Teilflächen definierten Linie angeordnet sind.
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In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Winkel zwischen den Normalen der abgeflachten Teilflächen größer oder gleich 120° ist. Mit anderen Worten sind die abgeflachten Teilflächen unter einem Winkel von höchstens 60° zueinander angeordnet. Bei einer Anordnung von drei derartigen Verteilerrohren in einem Dampfverteiler einer linearen Verdampfereinrichtung lässt sich erreichen, dass die Dampfströme der Verteilerrohre sich auf den gleichen Bereich eines Substrats richten. Gleichzeitig bildet die Anordnung der Verteilerrohre ein in Bezug auf das Substrat ebenes Gebilde, weil sich die von den benachbarten Teilflächen der drei Verteilerrohre eingeschlossenen Winkel zu 180° ergänzen.
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In gleicher Weise können in einer Verdampfereinrichtung beispielsweise vier Verteilerrohre angeordnet sein, bei denen die Normalen der Teilflächen mindestens 135° einschließen, fünf Verteilerrohre, bei denen die Normalen der Teilflächen mindestens 144° einschließen usw.
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In einer anderen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zwischen den mindestens zwei abgeflachten Teilflächen eines Verteilerrohrs ein Zwischenbereich angeordnet ist und die Dampfaustrittsöffnungen in diesem Zwischenbereich angeordnet sind. Dabei kann es sich um einen ebenen Materialstreifen handeln, der zwischen zwei abgeflachten Teilflächen angeordnet ist. Dadurch lassen sich die Dampfaustrittsöffnungen leichter fertigen. Der Zwischenbereich braucht daher nicht breiter als die Breite oder der Durchmesser der Dampfaustrittsöffnungen zu sein.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Verteilerrohre in ihren Längsachsen parallel verlaufend derart angeordnet sind, dass die Richtungen der Dampfaustrittsöffnungen sich in einer Entfernung von höchstens 100 mm, vorzugsweise höchstens 50 mm, von jedem Verteilerrohr überschneiden. Durch die oben beschriebene Gestaltung der einzelnen Verteilerrohre können diese relativ zueinander so angeordnet werden, dass die aus ihren Dampfaustrittsöffnungen tretenden Dampfströme aufeinander zu gerichtet sind und sich in einer sehr geringen Entfernung vor der Verdampfereinrichtung schneiden. Dadurch entsteht eine Fokussierung der allen Verteilerrohren entströmenden Dampfströme. Wird das Substrat in diesem Abstand an der Verdampfereinrichtung angeordnet oder vorbeibewegt, so trifft der fokussierte, gemischte Dampfstrom auf das Substrat und es kann eine Mischschicht aus verschiedenen Substanzen hergestellt werden, bei der sich die verschiedenen Substanzen optimal vermischen.
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Weiter wird ein Verfahren zur Koverdampfung von mindestens zwei Substanzen zum Erzeugen einer Mischschicht vorgeschlagen, bei dem bei einer linearen Verdampfungseinrichtung der oben beschriebenen Art in mindestens zwei Primärverdampfern unterschiedliche Substanzen bereitgestellt werden, mindestens ein Substrat im Wirkungsbereich der Dampfaustrittsöffnungen angeordnet oder daran vorbeibewegt wird, die Substanzen in den Primärverdampfern verdampft und mindestens zwei Verteilerrohren unterschiedliche Substanzen zugeführt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine lineare Verdampfungseinrichtung mit mindestens drei Verteilerrohren bereitgestellt und jedem Verteilerrohr unterschiedliche Substanzen zugeführt werden.
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Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass das mindestens eine Substrat mit einem Abstand von höchstens 100 mm im Wirkungsbereich der Dampfaustrittsöffnungen angeordnet oder daran vorbeibewegt wird. Das Verfahren kann dadurch sehr effektiv und mit einer sehr hohen Materialausnutzung durchgeführt werden. Ein weiterer positiver Effekt besteht darin, dass dadurch weniger unerwünschte Beschichtung von Anlagenbauteilen stattfindet.
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Verschiedene weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Verdampfereinrichtung werden vorgeschlagen, bei denen vorgesehen ist, dass der Dampfverteiler im Inneren eine mehrfach binär verzweigte Dampfkanalstruktur aufweist, oder/und dass die binären Verzweigungen jeweils symmetrisch ausgeführt sind, oder/und dass der Dampfverteiler zumindest teilweise aus elektrisch leitfähiger Keramik besteht und durch direkten Stromdurchgang geheizt wird, oder/und dass der Dampfverteiler aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik besteht und durch eingebettete Heizelemente geheizt wird, oder/und dass der Dampfverteiler zumindest teilweise aus einem Material besteht, welches S-SiC enthält, oder/und dass der Dampfverteiler in der Dimension senkrecht zur Substratbewegungsrichtung und senkrecht zur Substratnormale größer als die Breite der zu beschichtenden Substrate dimensioniert ist, oder/und dass der Primärverdampfer in der Dimension senkrecht zur Substratbewegungsrichtung und senkrecht zur Substratnormalen größer als die halbe Breite der zu beschichtenden Substrate dimensioniert ist, oder/und dass die Verbindung zwischen Primärverdampfer und Dampfverteiler etwa der Mitte der zu beschichtenden Substrate gegenübersteht, oder/und dass der Dampfverteiler im Inneren eine mehrfach binär verzweigte Dampfkanalstruktur aufweist, oder/und dass die binären Verzweigungen jeweils symmetrisch ausgeführt sind, oder/und dass die Substratnormale etwa senkrecht zur Erdanziehung orientiert ist, oder/und dass die Substratnormale etwa parallel zur Erdanziehung orientiert ist, oder/und dass die zu beschichtenden Substrate bandförmig sind und über eine temperierte Walze geführt werden, oder/und dass die zu beschichtenden Substrate bandförmig sind und über eine gekühlte Walze geführt werden, oder/und dass die zu beschichtenden Substrate bandförmig sind und über eine geheizte Walze geführt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dampfverteilers einer erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung von zwei Dampfverteilern, und
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung von drei Dampfverteilern.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein Dampfverteiler 1 im Querschnitt dargestellt, der ein unrundes Verteilerrohr 2 umfasst, welches eine gekrümmte Teilfläche 3 und zwei abgeflachte Teilflächen 4 aufweist. Dadurch ergibt sich im Querschnitt eine annähernd tropfenförmige Gestalt. Die abgeflachten Teilflächen 4 sind im Beispiel eben und schließen miteinander einen Winkel von 90° ein, so dass auch die auf den abgeflachten Teilflächen 4 senkrecht stehenden Normalen 5 einen Winkel von 90° einschließen. Die Dampfaustrittsöffnungen 7 sind entlang der einander zugewandten Begrenzungen der abgeflachten Teilflächen 4 in einem Zwischenbereich 8 angeordnet, der die beiden abgeflachten Teilflächen 4 miteinander verbindet. In den Figuren der Ausführungsbeispiele sind der zur Verdampfereinrichtung gehörende Primärverdampfer sowie die dampfleitende Verbindung zwischen dem oder den Primärverdampfern und dem oder den Verteilerrohren 2 des Dampfverteilers 1 nicht dargestellt. Die Einleitung des von dem oder den Primärverdampfern bereitgestellten Dampfes kann entweder durch eine oder mehrere Öffnungen in der Mantelfläche des Verdampferrohrs 2 oder über eine oder beide Stirnseiten des Verdampferrohrs 2 erfolgen.
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In 2 ist der Dampfverteiler 1 einer beispielhaften Verdampfereinrichtung dargestellt, bei der zwei Verdampferrohre 2 der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Art nebeneinander angeordnet sind. Diese Anordnung kann in einer Beschichtungsanlage zur kontinuierlichen Beschichtung von Substraten 9 im Durchlaufverfahren, wie in der Figur dargestellt, beispielsweise unterhalb der Transportebene von plattenförmigen Substraten 9 mit einem sehr geringen Abstand von beispielsweise 50 mm so angeordnet sein, dass die von den Dampfaustrittsöffnungen 7 der beiden Verteilerrohre 2 auf denselben Oberflächenbereich des Substrats 9 gerichtet sind, so dass eine optimale Vermischung der verdampften Substanzen stattfindet. Dabei können aus beiden Verdampferrohren 2 dieselbe Substanz oder aus jedem Verteilerrohr 2 eine andere Substanz abgegeben werden. Im ersten Fall wird eine Beschichtung der Substrate 9 mit höherer Beschichtungsrate als bei einem einzelnen Verdampferrohr erzielt, im zweiten Fall wird eine Mischschicht aus zwei unterschiedlichen Substanzen erzeugt.
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In 3 ist der Dampfverteiler 1 einer beispielhaften Verdampfereinrichtung dargestellt, bei der drei Verdampferrohre 2 nebeneinander angeordnet sind, bei denen jeweils zwei abgeflachte Teilflächen 4 unter einem Winkel von 60° zueinander angeordnet sind, so dass ihre Normalen 5 einen Winkel von 120° einschließen. Der Dampfverteiler 1 ist ebenfalls in einer Beschichtungsanlage zur kontinuierlichen Beschichtung von Substraten 9 im Durchlaufverfahren unterhalb der Transportebene von plattenförmigen Substraten 9 mit einem Abstand von 50 mm so angeordnet, dass die von den Dampfaustrittsöffnungen 7 der Verteilerrohre 2 auf denselben Oberflächenbereich des Substrats 9 gerichtet sind. Dabei können aus allen Verdampferrohren 2 dieselbe Substanz oder aus mindestens einem der drei Verteilerrohre 2 eine andere Substanz abgegeben werden. Dadurch können verschiedene Arten von Mischschichten erzeugt werden.
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Bei den beispielhaften Dampfverteilern 1 der 2 und 3 sind zwischen den Verteilerrohren 2 sowie zwischen den Verteilerrohren 2 und dem Substrat 9 thermische Trennwände 8 angeordnet, die einerseits eine gegenseitige Beeinflussung der Verteilerrohre 2 verhindert, wenn beispielsweise verschiedene Substanzen mit unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen verdampft werden, und die andererseits die Wärmestrahlung der Verteilerrohre 2 auf das Substrat 9 signifikant verringern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dampfverteiler
- 2
- Verteilerrohr
- 3
- gekrümmte Teilfläche
- 4
- abgeflachte Teilfläche
- 5
- Normale
- 6
- Zwischenbereich
- 7
- Dampfaustrittsöffnung
- 8
- Thermische Trennwand
- 9
- Substrat
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10128091 [0006]
- WO 2009/010468 A1 [0006]
- WO 2006/046998 [0006]
- WO 2008/041671 [0006]
- WO 2005/098079 A1 [0006]
- EP 1632586 A2 [0008]
