DE102011016814B4 - Evaporator cell closure device for a coating system - Google Patents
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Abstract
Verschlusseinrichtung (100) für eine Verdampferzelle (200), umfassend: – eine Deckplatte (11), die relativ zu der Verdampferzelle (200) beweglich und eingerichtet ist, in einer Sperrposition für einen aus der Verdampferzelle (200) austretenden Dampfstrahl (1) eine Barriere zu bilden und in einer Öffnungsposition den Dampfstrahl (1) freizugeben, und – eine Seitenwandanordnung (12), die eingerichtet ist, eine Umgebung der Verdampferzelle (200) seitlich zum Dampfstrahl (1) abzuschirmen, und Seitenwände umfasst, die sich in einer Richtung erstrecken, die von der Ausdehnung der Deckplatte (11) abweicht, wobei – die Seitenwandanordnung (12) mit der Deckplatte (11) verbunden ist, so dass eine Sammelkammer (10) gebildet wird, die an einer Unterseite der Verschlusseinrichtung (100) an einer Auffangöffnung (13) offen ist und an einer Oberseite der Verschlusseinrichtung (100) durch die Deckplatte (11) geschlossen ist und eingerichtet ist, dass in der Sperrposition der Dampfstrahl (1) durch die Auffangöffnung (13) in die Sammelkammer (10) eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Seitenwandanordnung (12) ferner so mit der Deckplatte (11) verbunden ist, dass eine Durchflusskammer (20) gebildet wird, die durch die Deckplatte (11) und Seitenwände (12.2, 12.3) der Seitenwandanordnung (12) begrenzt wird, wobei – die Durchflusskammer (20) an der Unterseite der Verschlusseinrichtung (100) an einer Eintrittsöffnung (21) und an der Oberseite der Verschlusseinrichtung (100) an einer Austrittsöffnung (22) der Deckplatte (11) offen ist und eingerichtet ist, dass – in der Öffnungsposition der Dampfstrahl (1) durch die Eintritts- und Austrittsöffnungen (22) durchtritt.A closure device (100) for an evaporator cell (200), comprising: - a cover plate (11) which is movable and arranged relative to the evaporator cell (200) in a blocking position for a steam jet (1) exiting the evaporator cell (200) Forming a barrier and releasing the jet of steam (1) in an open position; and a sidewall arrangement (12) arranged to shield an environment of the evaporator cell (200) laterally of the steam jet (1) and including sidewalls extending in one direction extend, which differs from the extent of the cover plate (11), wherein - the side wall assembly (12) with the cover plate (11) is connected, so that a collecting chamber (10) is formed on a bottom of the closure device (100) at a Collecting opening (13) is open and at an upper side of the closure device (100) through the cover plate (11) is closed and is arranged that in the blocking position of the steam jet (1) d urch the collecting opening (13) enters the collecting chamber (10), characterized in that - the side wall assembly (12) is further connected to the cover plate (11), that a flow chamber (20) is formed by the cover plate (11 ) and side walls (12.2, 12.3) of the side wall assembly (12) is limited, wherein - the flow chamber (20) at the bottom of the closure device (100) at an inlet opening (21) and at the top of the closure device (100) at an outlet opening ( 22) of the cover plate (11) is open and is arranged that - in the open position, the steam jet (1) passes through the inlet and outlet openings (22).
Description
Die Erfindung betrifft eine Verschlusseinrichtung für eine Verdampferzelle, insbesondere einen Verschluss (Shutter) für eine Effusionszelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine mit der Verschlusseinrichtung ausgestattete Verdampferzelle und eine Beschichtungsanlage, die mindestens eine Verdampferzelle enthält, die mit der Verschlusseinrichtung ausgestattet ist. Anwendungen der Erfindung sind beim Betrieb von Beschichtungsanlagen zur Herstellung dünner Schichten, insbesondere Molekularstrahlepitaxie-Anlagen (MBE-Anlagen) gegeben.The invention relates to a closure device for an evaporator cell, in particular a closure (shutter) for an effusion cell. Furthermore, the invention relates to an evaporator cell equipped with the closure device and to a coating installation which contains at least one evaporator cell which is equipped with the closure device. Applications of the invention are given in the operation of coating equipment for the production of thin films, in particular molecular beam epitaxy equipment (MBE plants).
Beschichtungsanlagen umfassen allgemein eine Dampfquelle (oder: Verdampferzelle), insbesondere eine Effusionszelle, zur Erzeugung eines Dampfstrahls von Verdampfungsgut und eine Substrathalterung zur Aufnahme eines zu beschichtenden Substrats. Das Substrat wird mit einem bestimmten Arbeitsabstand von der Dampfquelle angeordnet, so dass Atome oder Moleküle aus dem Dampfstrahl auf dem Substrat kondensieren oder chemisch reagieren und eine Schicht bilden. Das Verdampfungsgut kann allgemein fest, flüssig oder gasförmig sein, wobei typischerweise unabhängig vom Aggregatzustand des Verdampfungsguts und der Art der Bereitstellung des Verdampfungsguts im gas- oder dampfförmigen Zustand von einer Dampfquelle und einem Dampfstrahl gesprochen wird. Die Beschichtung des Substrats erfolgt typischerweise unter Vakuumbedingungen, insbesondere unter Ultrahochvakuum (UHV), kann aber auch z. B. in einem Inertgas realisiert werden.Coating plants generally comprise a vapor source (or: evaporator cell), in particular an effusion cell, for producing a vapor jet of vaporization material and a substrate holder for receiving a substrate to be coated. The substrate is placed at a certain working distance from the vapor source so that atoms or molecules from the vapor jet condense or chemically react on the substrate to form a layer. The evaporant can be generally solid, liquid or gaseous, which is typically spoken of a steam source and a steam jet regardless of the state of aggregation of the vapor and the nature of the provision of the vaporization in the gaseous or vapor state. The coating of the substrate is typically carried out under vacuum conditions, in particular under ultra-high vacuum (UHV), but can also z. B. be realized in an inert gas.
Herkömmliche Beschichtungsanlagen sind vorwiegend so ausgeführt, dass die Verdampferzelle einen geringen Arbeitsabstand vom Substrat, einen breiten Abstrahlwinkel des Dampfstrahls und einen großen Anstellwinkel relativ zur Normalen der Beschichtungsebene (Substratebene) aufweist, um bei möglichst geringem Volumen der Beschichtungsanlage Substrate mit möglichst großem Durchmesser und möglichst viele Verdampferzellen mit großem Volumen verwenden zu können.Conventional coating systems are predominantly designed so that the evaporator cell has a small working distance from the substrate, a wide radiation angle of the steam jet and a large angle of incidence relative to the normal of the coating plane (substrate level) to the smallest possible volume of the coating system substrates with the largest possible diameter and as many To be able to use evaporator cells with a large volume.
Um die Bedingungen eines Beschichtungsprozesses, insbesondere die Schichtdicke oder die Schichtfolge, steuern zu können, ist jede Verdampferzelle mit einem Verschluss ausgestattet. Ein herkömmlicher Verschluss
Herkömmliche Verschlüsse für Verdampferzellen, z. B. gemäß
Ein weiterer wichtiger Nachteil der herkömmlichen Technik ergibt sich aus starken Temperaturänderungen (so genannte ”Shutter-Transienten”), die beim Öffnen oder Schließen des Verschlusses auftreten. Die thermische Abstrahlung an der Mündungsöffnung der Verdampferzelle
Die genannten Nachteile sind für Beschichtungsanlagen besonders kritisch, die für einen hohen Materialdurchsatz vorgesehen sind, wie dies insbesondere in der kommerziellen Halbleiterbauelementfertigung der Fall ist. Je größer die Menge des verdampften Materials ist, desto kritischer ist die oben genannte Materialabscheidung auf der Unterseite der Deckplatte, an der Trennwand und an anderen Innenwänden der Beschichtungsanlage und die Bildung des Shutter-Transienten. So wächst mit der Größe der Verdampferzelle die Abhängigkeit der Abstrahlcharakteristik des Dampfstrahls vom Füllstand in der Verdampferzelle und gleichzeitig die unerwünschte Auswirkung des Shutter-Transienten. Um Änderungen der Abstrahlcharakteristik oder der Verdampfungsrate zu kompensieren, sind bisher empirische Ansätze auf der Grundlage von Versuchsreihen erforderlich, deren Zuverlässigkeit sich jedoch in der Praxis als beschränkt erwiesen hat.The disadvantages mentioned are particularly critical for coating systems that are suitable for a high Material throughput are provided, as is the case in particular in the commercial semiconductor device manufacturing. The greater the amount of vaporized material, the more critical is the above deposition of material on the underside of the cover plate, on the bulkhead and on other interior walls of the coater, and the formation of the shutter transient. Thus, with the size of the evaporator cell, the dependence of the radiation characteristic of the steam jet on the fill level in the evaporator cell and, at the same time, the undesired effect of the shutter transient increases. In order to compensate for changes in the radiation pattern or the evaporation rate, empirical approaches based on test series have hitherto been required, the reliability of which, however, has proven to be limited in practice.
Die
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Verschlusseinrichtung für eine Verdampferzelle bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Verschlüsse von Verdampferzellen überwunden werden. Die Verschlusseinrichtung soll insbesondere unerwünschte Materialabscheidungen minimieren und/oder den Shutter-Transienten verringern. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine mit einer verbesserten Verschlusseinrichtung ausgestattete Verdampferzelle und eine verbesserte Beschichtungsanlage bereitzustellen.The object of the invention is to provide an improved closure device for an evaporator cell, with which disadvantages of conventional closures of evaporator cells are overcome. In particular, the closure device is intended to minimize unwanted material deposits and / or reduce the shutter transient. The object of the invention is also to provide an evaporator cell equipped with an improved closure device and an improved coating system.
Diese Aufgaben werden durch eine Verschlusseinrichtung, eine Verdampferzelle und eine Beschichtungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are achieved by a closure device, an evaporator cell and a coating system having the features of the independent claims. Advantageous embodiments and applications of the invention will become apparent from the dependent claims.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Verschlusseinrichtung für eine Verdampferzelle (Effusionszelle) bereitgestellt, die eine Deckplatte und eine mit der Deckplatte fest verbundene Seitenwandanordnung umfasst. Die Deckplatte und die Seitenwandanordnung bilden ein in einer Beschichtungsanlage bewegliches Bauteil, das insbesondere relativ zu der Verdampferzelle beweglich und in einer Sperrposition sowie in einer Öffnungsposition positionierbar ist. In der Sperrposition ist die Verschlusseinrichtung konfiguriert, dass die Deckplatte für einen aus der Verdampferzelle austretenden Dampfstrahl eine Barriere bildet. In der Öffnungsposition ist die Verschlusseinrichtung angepasst, einen Dampfstrahl aus der Verdampferzelle freizugeben, d. h. einen Durchlass für den Dampfstrahl zu bilden. Die mit der Deckplatte fest verbundene Seitenwandanordnung umfasst Seitenwände, die von der Deckplatte abstehen. Die Seitenwände der Seitenwandanordnung erstrecken sich in einer Richtung, die von der Ausdehnung der Deckplatte abweicht. Typischerweise ist eine ebene Deckplatte vorgesehen, während die Seitenwandanordnung, d. h. die Seitenwände der Seitenwandanordnung senkrecht zu der Deckplatte ausgerichtet sind. Die Verschlusseinrichtung hat eine Oberseite und eine Unterseite. Die Oberseite ist beim Gebrauch der Verschlusseinrichtung eine von der Verdampferzelle wegweisende Seite, während die Unterseite zur Verdampferzelle gerichtet ist. Typischerweise ist beim Gebrauch der Verschlusseinrichtung, insbesondere bei deren Verbindung mit einer in einer Beschichtungsanlage stehenden Halterung oder Antriebseinrichtung, zumindest eine Komponente der Oberflächennormalen der Oberseite vertikal entgegengesetzt zur Gravitationsrichtung ausgerichtet, während zumindest eine Komponente der Oberflächennormalen der Unterseite vertikal in Gravitationsrichtung weist. Alternativ kann die Ausrichtung für einen Überkopfbetrieb der Verdampferzelle umgekehrt sein.According to a first aspect of the invention, a closure device for an evaporator cell (effusion cell) is provided, which comprises a cover plate and a side wall arrangement firmly connected to the cover plate. The cover plate and the side wall assembly form a movable component in a coating system, which is movable in particular relative to the evaporator cell and in a blocking position and in an open position. In the blocking position, the closure device is configured such that the cover plate forms a barrier for a steam jet emerging from the evaporator cell. In the open position, the closure device is adapted to release a steam jet from the evaporator cell, i. H. to form a passage for the steam jet. The side wall assembly fixedly connected to the cover plate includes side walls that protrude from the cover plate. The sidewalls of the sidewall assembly extend in a direction that deviates from the extent of the cover plate. Typically, a flat top plate is provided while the side wall assembly, i. H. the side walls of the side wall assembly are aligned perpendicular to the cover plate. The closure device has a top and a bottom. The upper side is a side facing away from the evaporator cell in use of the closure device, while the bottom is directed to the evaporator cell. Typically, in use of the closure device, particularly when connected to a fixture or drive means, at least one component of the surface normal of the top is vertically opposed to the gravitational direction, while at least one component of the surface normal faces vertically in the direction of gravity. Alternatively, the alignment may be reversed for overhead operation of the evaporator cell.
Gemäß der Erfindung ist die Seitenwandanordnung mit der Deckplatte so verbunden, dass zwei Kammern gebildet werden. Erstens bildet die Seitenwandanordnung mit der Deckplatte eine Sammelkammer. Die Sammelkammer ist ein einseitig offener Raum, der an der Oberseite der Verschlusseinrichtung durch die Deckplatte und im Übrigen durch Seitenwände der Seitenwandanordnung begrenzt wird. An der Unterseite ist eine Auffangöffnung vorgesehen. Die Sammelkammer ist auf der Unterseite der Verschlusseinrichtung offen und geeignet, dass in der Sperrposition der Verschlusseinrichtung der Dampfstrahl durch die Auffangöffnung in die Sammelkammer eintritt. Somit ist die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung eingerichtet, in Bezug auf eine Verdampferzelle so positioniert zu werden, dass sich die Auffangöffnung der Sammelkammer in der Strahlrichtung des Dampfstrahls befindet, der aus einer Mündungsöffnung der Verdampferzelle austritt. Vorteilhafterweise kann sich der Dampfstrahl im Inneren der Sammelkammer sammeln und insbesondere niederschlagen, so dass ein Transport des Verdampfungsgutes hin zum Substrat blockiert ist.According to the invention, the side wall assembly is connected to the cover plate so that two chambers are formed. First, the side wall assembly with the cover plate forms a collection chamber. The collection chamber is a one-sided open space, which is bounded at the top of the closure device by the cover plate and the rest by side walls of the side wall assembly. At the bottom of a collection opening is provided. The collection chamber is open on the underside of the closure device and suitable for the steam jet to enter the collection chamber through the collection opening in the blocking position of the closure device. Thus, the closure device according to the invention is arranged to be positioned with respect to an evaporator cell so that the collecting opening of the collecting chamber is in the jet direction of the steam jet emerging from a mouth opening of the evaporator cell. Advantageously, the steam jet can collect in the interior of the collection chamber and in particular precipitate, so that a transport of the vaporized material is blocked towards the substrate.
Zweitens wird durch die Seitenwandanordnung mit der Deckplatte eine Durchflusskammer gebildet. Die Durchflusskammer ist ein zweiseitig geöffneter Raum, der an der Oberseite der Verschlusseinrichtung durch die Deckplatte und im Übrigen durch Seitenwände der Seitenwandanordnung begrenzt wird. An der Unterseite ist die Durchflusskammer mit einer Eintrittsöffnung offen. Zur Eintrittsöffnung gegenüberliegend weist die Deckplatte in der Durchflusskammer eine Austrittsöffnung auf, so dass ein Dampfstrahl durch die Durchflusskammer durchgeleitet werden kann. Somit ist die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung geeignet, in der Öffnungsposition so über einer Verdampferzelle positioniert zu werden, dass ein aus der Mündungsöffnung der Verdampferzelle austretender Dampfstrahl entlang der Strahlrichtung der Verdampferzelle durch die Durchflusskammer ungehindert zu einer Substrathalterung und insbesondere einem Substrat durchtreten kann.Second, a flow chamber is formed by the sidewall assembly with the cover plate. The flow chamber is a two-sided open space, which is bounded at the top of the closure device by the cover plate and the rest by side walls of the side wall assembly. At the bottom, the flow chamber is open with an inlet opening. Opposite the inlet opening, the cover plate in the flow chamber on an outlet opening, so that a steam jet through the flow chamber can be passed. Thus, the closure device according to the invention is suitable for being positioned above an evaporator cell in the opening position such that a steam jet issuing from the mouth opening of the evaporator cell can pass unhindered through the flow chamber to the substrate holder and in particular a substrate along the jet direction of the evaporator cell.
Die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung hat den Vorteil, dass der Anteil von Verdampfungsgut minimiert wird, der sich auf Innenwänden oder anderen Teilen der Beschichtungsanlage parasitär abscheidet. Die Deckplatte und die Seitenwandanordnung der Verschlusseinrichtung sind so angeordnet, dass sich möglichst alles parasitär (d. h. nicht auf dem Substrat) abgeschiedene Verdampfungsgut in oder auf einem beweglichen Teil in der Beschichtungsanlage abscheidet. Die Verschlusseinrichtung kann leicht ausgetauscht werden, so dass der Aufwand zur Beseitigung des parasitär abgeschiedenen Verdampfungsguts minimiert wird. Im Ergebnis verkürzen sich die Wartungszeiten der Beschichtungsanlage, und die Standzeit zwischen den Wartungsintervallen verlängert sich.The closure device according to the invention has the advantage that the proportion of vaporization material is minimized, which deposits parasitically on inner walls or other parts of the coating system. The cover plate and the side wall arrangement of the closure device are arranged in such a way that as far as possible, all evaporative material deposited in a parasitic manner (that is to say not on the substrate) is deposited in or on a moving part in the coating installation. The closure device can be easily replaced, so that the effort to eliminate the parasitically separated evaporation material is minimized. As a result, the maintenance time of the coating system is shortened, and the service life between the maintenance intervals is extended.
Die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung ist ein dreidimensionaler, z. B. kastenförmiger Zellenverschluss. Sie bietet mit der an der Oberseite vorgesehenen Deckplatte die selbe Funktion wie der herkömmliche Verschluss (z. B. gemäß
Im Vergleich zum herkömmlichen Verschluss hat in der Sperrposition die den Dampfstrahl unterbrechende Fläche, d. h. die Deckplatte, einen größeren Abstand von der Mündungsöffnung der Verdampferzelle. Eine Betätigung der Verschlusseinrichtung, d. h. eine Bewegung der Verschlusseinrichtung führt somit zu einer verringerten Rückkopplung auf das thermische Verhalten der Verdampferzelle. Der Shutter-Transient wird verringert oder vernachlässigbar klein. Des Weiteren wird durch die Seitenwände der Seitenwandanordnung ein seitliches Entweichen des Dampfstrahls aus der Verschlusseinrichtung verhindert. Die Seitenwandanordnung übernimmt somit die Funktion der Trennwände, die beim herkömmlichen Verschluss zwischen den Verdampferzellen fixiert sind, ist jedoch gemäß der Erfindung Teil der beweglichen Verschlusseinrichtung.Compared to the conventional closure, in the blocking position, the area interrupting the jet of vapor, i. H. the cover plate, a greater distance from the mouth opening of the evaporator cell. Actuation of the closure device, d. H. a movement of the closure device thus leads to a reduced feedback on the thermal behavior of the evaporator cell. The shutter transient is reduced or negligible. Furthermore, the side walls of the side wall arrangement prevent lateral escape of the steam jet from the closure device. The side wall arrangement thus assumes the function of the partitions, which are fixed in the conventional closure between the evaporator cells, but according to the invention is part of the movable closure device.
Die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung hat die folgenden weiteren Vorteile. Verdampfungsgut, das aus der Verdampferzelle austritt, während sich die Verschlusseinrichtung in der Sperrposition befindet, kann in der Sammelkammer gesammelt und während der Wartung der Beschichtungsanlage zusammen mit der Verschlusseinrichtung entnommen werden. Zur Entfernung parasitären Verdampfungsgutes muss nicht wie bisher ein großflächiger Zugang zur Beschichtungsanlage geschaffen werden, da ein mechanisches oder chemisches Entfernen abgeschiedenen Verdampfungsgutes aus der Beschichtungsanlage nicht erforderlich ist.The closure device according to the invention has the following further advantages. Evaporation material exiting the evaporator cell while the closure device is in the blocking position may be collected in the collection chamber and removed during maintenance of the coating equipment together with the closure device. In order to remove parasitic vaporization material, it is not necessary to provide a large-area access to the coating plant, since mechanical or chemical removal of vaporized material from the coating plant which is deposited is not necessary.
Des Weiteren wird im Öffnungszustand der Verschlusseinrichtung der Anteil des Verdampfungsguts, der die Verdampferzelle in eine Richtung verlässt, die nicht auf das Substrat gerichtet ist, ebenfalls an Seitenwänden der Seitenwandanordnung aufgefangen. Auch in der Öffnungsposition wird die Bildung parasitärer Abscheidungen in der Beschichtungsanlage vermieden. Das in der Durchflusskammer abgeschiedene Material kann ebenfalls während der Wartung zusammen mit der Verschlusseinrichtung aus der Beschichtungsanlage entnommen werden. Des Weiteren erfüllt die Austrittsöffnung in der Deckplatte an der Oberseite der Durchflusskammer eine Blendenfunktion. Die Austrittsöffnung kann so geformt und dimensioniert werden, dass sie den Dampfstrahl des Verdampfungsguts so einschränkt, dass nur direkt von der Verdampferzelle zum Substrat sich in gerader Linie bewegender Dampf (z. B. Atome, Moleküle) durchgelassen wird. Dadurch wird der neben dem Substrat liegende Bereich im Inneren der Beschichtungsanlage von einer Abscheidung mit Verdampfungsgut geschützt.Furthermore, in the opening state of the closure device, the portion of the evaporation material that leaves the evaporator cell in a direction that is not directed to the substrate is also collected on sidewalls of the sidewall arrangement. Even in the opening position, the formation of parasitic deposits in the coating system is avoided. The material deposited in the flow chamber can also be removed from the coater during maintenance together with the closure device. Furthermore, the outlet opening in the cover plate at the top of the flow chamber fulfills a diaphragm function. The exit orifice may be shaped and dimensioned to restrict the vapor stream of the vapor so that only vapor (eg, atoms, molecules) moving in a straight line directly from the vaporiser cell to the substrate is allowed to pass through. As a result, the area lying next to the substrate in the interior of the coating installation is protected by deposition with evaporating material.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen, dreidimensionalen Verschlusseinrichtung werden um so größer, je größer der Arbeitsstand von der Verdampferzelle zum Substrat ist. Dabei wird der Öffnungswinkel der Verdampferzelle bei gleich bleibender Substratgröße (zu bedampfende Fläche) sowie ihr Winkel zur Normalen der zu bedampfenden Fläche kleiner. Damit kann die Verschlusseinrichtung in Strahlrichtung (Längsachse der Zelle) größer werden, wodurch sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Verdampferzelle verstärken.The advantages of the three-dimensional closure device according to the invention become greater the greater the working state from the evaporator cell to the substrate. In this case, the opening angle of the evaporator cell with a constant substrate size (surface to be coated) and their angle to the normal of the surface to be vaporized is smaller. Thus, the closure device in the beam direction (longitudinal axis of the cell) can be larger, thereby increasing the advantages of the evaporator cell according to the invention.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Verdampferzelle gelöst, die mit einer Verschlusseinrichtung gemäß dem oben genannten ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgestattet ist. Die Verschlusseinrichtung ist relativ zu der Verdampferzelle beweglich angeordnet. Da die Seitenwandanordnung der Verschlusseinrichtung die Funktion der herkömmlichen Trennwände zwischen Verdampferzellen übernimmt, kann eine erfindungsgemäße Verdampferzelle im Vergleich zur herkömmlichen Technik mit einem verringerten Abstand von einer weiteren Verdampferzelle oder anderen Einbauten in der Beschichtungsanlage angeordnet werden. Somit kann die Zahl der Verdampferzellen in einer gegebenen Beschichtungsanlage vergrößert und/oder das Innenvolumen der Beschichtungsanlage verringert werden.According to a second aspect of the invention, the above-mentioned object is achieved by an evaporator cell provided with a closure device according to the first mentioned above Viewpoint of the invention is equipped. The closure device is arranged to be movable relative to the evaporator cell. Since the side wall arrangement of the closure device takes over the function of the conventional partitions between evaporator cells, an evaporator cell according to the invention can be arranged at a reduced distance from a further evaporator cell or other internals in the coating system in comparison to the conventional technique. Thus, the number of evaporator cells can be increased in a given coating system and / or the internal volume of the coating system can be reduced.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Beschichtungsanlage, insbesondere eine MBE-Anlage gelöst, die mindestens eine Verdampferzelle enthält, die mit der Verschlusseinrichtung gemäß dem oben genannten ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgestattet ist. Vorzugsweise ist die Beschichtungsanlage mit mindestens einer Antriebseinrichtung ausgestattet, mit der die Verschlusseinrichtung der mindestens einen Verdampferzelle relativ zu der Verdampferzelle beweglich, z. B. linear verschiebbar oder verschwenkbar ist.According to a third aspect of the invention, the above-mentioned object is achieved by a coating installation, in particular an MBE installation, which contains at least one evaporator cell equipped with the closure device according to the abovementioned first aspect of the invention. Preferably, the coating system is equipped with at least one drive device with which the closure device of the at least one evaporator cell is movable relative to the evaporator cell, for. B. is linearly displaceable or pivotable.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung stellt ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats in einer Beschichtungsanlage dar, bei dem die Verschlusseinrichtung gemäß dem oben genannten ersten Gesichtspunkt der Erfindung verwendet wird. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch zwei Betriebsphasen der Beschichtung aus. In einer ersten Betriebsphase befindet sich die Verschlusseinrichtung in der Sperrposition, so dass ein Austritt des Dampfstrahls aus der Verdampferzelle unterbunden ist. In dieser Betriebsphase erfolgt keine Beschichtung des Substrats oder eine Beschichtung des Substrats aus einer benachbarten Verdampferzelle. In einer zweiten Betriebsphase ist die Verschlusseinrichtung in der Öffnungsposition angeordnet, so dass der Dampfstrahl des Verdampfungsguts von der Verdampferzelle auf das Substrat gerichtet ist und sich das Verdampfungsgut auf dem Substrat niederschlägt.Another object of the invention is a method for coating a substrate in a coating system, wherein the closure device is used according to the above-mentioned first aspect of the invention. The process is characterized in particular by two operating phases of the coating. In a first operating phase, the closure device is in the blocking position, so that an exit of the steam jet from the evaporator cell is prevented. In this phase of operation no coating of the substrate or a coating of the substrate takes place from an adjacent evaporator cell. In a second operating phase, the closure device is arranged in the opening position, so that the vapor jet of the vaporization material is directed from the evaporator cell onto the substrate and the vaporization material deposits on the substrate.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Seitenwandanordnung an einer Unterseite der Verschlusseinrichtung eine Bodenplatte aufweisen, die sich über die Unterseite von mindestens einer der Sammelkammer und der Durchflusskammer erstreckt. Die Bodenplatte bildet auf der Unterseite der Verschlusseinrichtung eine Abgrenzung der Kammer(n), wobei in der Bodenplatte jeweils entsprechend die Auffangöffnung der Sammelkammer und/oder die Eintrittsöffnung der Durchflusskammer gebildet ist. Die Bodenplatte erstreckt sich vorzugsweise über die Ausdehnung beider Kammern. Vorteilhafterweise wird durch die Bodenplatte, welche die Auffangöffnung und/oder die Eintrittsöffnung umgibt, eine weitere Auffangfläche geschaffen, auf der sich Teile des Dampfstrahls nach einer eventuellen Rückreflektion hin zur Verdampferzelle niederschlagen oder auf die Teile des in den Kammern niedergeschlagenen Verdampfungsguts herabfallen können. Somit kann eine unerwünschte Verunreinigung der Verdampferzelle oder deren Umgebung vermieden werden.According to a preferred embodiment of the invention, the side wall assembly may have at a bottom side of the closure means a bottom plate extending over the underside of at least one of the collection chamber and the flow chamber. The bottom plate forms on the underside of the closure device a delimitation of the chamber (s), wherein in the bottom plate respectively corresponding to the collecting opening of the collecting chamber and / or the inlet opening of the flow chamber is formed. The bottom plate preferably extends over the extension of both chambers. Advantageously, a further collecting surface is created by the bottom plate, which surrounds the collecting opening and / or the inlet opening, on which parts of the steam jet after a possible Rückrefflektion reflected down to the evaporator cell or can fall down on the parts of the deposited in the chambers Evaporative. Thus, undesirable contamination of the evaporator cell or its environment can be avoided.
Die Rückhaltefunktion der Bodenplatte kann weiter verbessert werden, wenn gemäß einer weiteren Variante der Erfindung mindestens eine von der Auffangöffnung der Sammelkammer und der Eintrittsöffnung der Durchflusskammer mit einem Rückhaltering ausgestattet ist. Der Rückhaltering ist ein Vorsprung, der entlang des Randes der Auffangöffnung oder der Eintrittsöffnung verläuft und in das Innere der Sammel- oder Durchflusskammer ragt. Vorteilhafterweise wird somit auf der Innenseite der Kammern an der Bodenplatte ein Rückhaltevolumen gebildet, mit dem sowohl festes als auch flüssiges Verdampfungsgut zuverlässig gesammelt werden kann.The retention function of the bottom plate can be further improved if, according to another variant of the invention, at least one of the collecting opening of the collecting chamber and the inlet opening of the flow chamber is equipped with a retaining ring. The retaining ring is a projection which extends along the edge of the collecting opening or the inlet opening and projects into the interior of the collecting or flow chamber. Advantageously, a retention volume is thus formed on the inside of the chambers on the bottom plate, with which both solid and liquid evaporating material can be reliably collected.
Alternativ kann die Verschlusseinrichtung angepasst sein, dass in der Sammelkammer und/oder der Durchflusskammer niedergeschlagenes Verdampfungsgut in die Verdampferzelle zurückgeleitet wird. Die Rückleitung von Verdampfungsgut ist bei Verdampfung von flüssigem Material besonders einfach. Bei dieser Variante der Erfindung ist die Bodenplatte in mindestens einer der beiden Kammern mit einer Leiteinrichtung versehen, mit der Verdampfungsgut an der Bodenplatte entsprechend zu der Auffangöffnung oder zu der Eintrittsöffnung geleitet werden kann. Das zu der Auffangöffnung oder zu der Eintrittsöffnung geleitete Verdampfungsgut kann dann unter der Wirkung der Schwerkraft in die Verdampferzelle fallen oder tropfen. Die Leiteinrichtung umfasst z. B. eine relativ zu der Horizontalen hin zu der jeweiligen Öffnung geneigte Fläche. Vorteilhafterweise werden durch die Rückführung des Verdampfungsguts in die Verdampferzelle die Effektivität der Nutzung des Verdampfungsguts und die Standzeit der Beschichtungsanlage erheblich verbessert.Alternatively, the closure device can be adapted so that vaporized material deposited in the collecting chamber and / or the flow chamber is returned to the evaporator cell. The return of evaporating material is particularly easy when evaporating liquid material. In this variant of the invention, the bottom plate is provided in at least one of the two chambers with a guide, can be passed to the evaporating material on the bottom plate corresponding to the collecting opening or to the inlet opening. The vaporized material conducted to the collecting opening or to the inlet opening can then fall or drip into the evaporator cell under the effect of gravity. The guide comprises z. B. a relative to the horizontal towards the respective opening inclined surface. Advantageously, the effectiveness of the use of the vaporization and the service life of the coating system are significantly improved by the return of the vaporization in the evaporator cell.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann eine gezielte Ableitung von niedergeschlagenem Verdampfungsgut auch in anderen Teilen der Kammer vorgesehen sein. Beispielsweise kann an der Deckplatte in der Sammelkammer und/oder der Durchflusskammer eine Abtropfeinrichtung vorgesehen sein, mit der an der Deckplatte aufgefangenes Verdampfungsgut jeweils entsprechend zu der Bodenplatte, zu der Auffangöffnung und/oder zu der Eintrittsöffnung geleitet wird. Beim Abtropfen über der Auffangöffnung und/oder Eintrittsöffnung kann das Verdampfungsgut direkt in die Verdampferzelle zurückgeführt werden. Beim Abtropfen auf die Bodenplatte kann das Verdampfungsgut an dieser, ggf. unter Verwendung des Rückhalterings, gesammelt oder unter Verwendung der Leiteinrichtung ebenfalls in die Verdampferzelle rückgeführt werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, a targeted discharge of deposited vaporized material can also be provided in other parts of the chamber. For example, a draining device may be provided on the cover plate in the collection chamber and / or the flow chamber, with the evaporated material collected on the cover plate being directed respectively to the bottom plate, to the collection opening and / or to the inlet opening. When draining over the collecting opening and / or inlet opening, the vaporized material can be returned directly to the evaporator cell. At the Dripping on the bottom plate, the evaporating material can be collected at this, possibly using the retaining ring, or also recycled using the guide in the evaporator cell.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass die Anwendung der Verschlusseinrichtung nicht auf Verdampferzellen für festes oder flüssiges Verdampfungsgut beschränkt ist. Die Erfindung kann auch mit Verdampferzellen angewendet werden, mit denen bei der Betriebstemperatur in der Beschichtungsanlage gasförmiges Verdampfungsgut zum Substrat geleitet wird. Das gasförmige Verdampfungsgut kann z. B. nach einer chemischen Reaktion mit weiteren Substanzen auf dem Substrat eine Schicht bilden. Zur Steuerung einer Verdampferzelle für gasförmiges Verdampfungsgut ist die Sammelkammer der Verschlusseinrichtung vorzugsweise mit einer Pumpeinrichtung verbunden. Von der Sammelkammer führt eine Hohlleitung zu der Pumpeinrichtung, die in der Beschichtungsanlage fest installiert sein kann. Die Hohlleitung ist z. B. in eine Halterung oder ein Koppelelement der Verschlusseinrichtung integriert, so dass vorteilhafterweise auch mit der Verbindung mit der Pumpeinrichtung eine kompakte Bauform erreicht wird.Another advantage of the invention is that the application of the closure device is not limited to evaporator cells for solid or liquid evaporating material. The invention can also be used with evaporator cells, with which at the operating temperature in the coating system gaseous vapor is passed to the substrate. The gaseous Evampfungsgut can z. B. after a chemical reaction with other substances on the substrate form a layer. For controlling an evaporator cell for gaseous evaporating material, the collecting chamber of the closing device is preferably connected to a pump device. From the collection chamber leads a hollow conduit to the pumping device, which can be permanently installed in the coating plant. The hollow line is z. B. integrated into a holder or a coupling element of the closure device, so that advantageously also with the connection with the pumping device, a compact design is achieved.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Verschlusseinrichtung mit einem Koppelelement ausgestattet, das der mechanischen Verbindung der Verschlusseinrichtung mit einem Teil der Beschichtungsanlage, insbesondere mit der Antriebseinrichtung in der Beschichtungsanlage dient. Das Koppelelement ist für eine lösbare Fixierung der Verschlusseinrichtung in der Beschichtungsanlage eingerichtet. Es ist vorzugsweise ein Koppelelement mit einer Rast- oder Flanschverbindung vorgesehen. Damit wird vorteilhafterweise ein leichter Austausch der Verschlusseinrichtung für Wartungszwecke erhalten. Die Verschlusseinrichtung kann z. B. auf einem abnehmbaren Flansch montiert werden, der ohne großen Aufwand abgenommen und wieder montiert werden kann.According to a further advantageous embodiment of the invention, the closure device is equipped with a coupling element that serves the mechanical connection of the closure device with a part of the coating system, in particular with the drive device in the coating system. The coupling element is set up for a releasable fixing of the closure device in the coating installation. It is preferably provided a coupling element with a latching or flange connection. This advantageously results in easy replacement of the closure device for maintenance purposes. The closure device can, for. B. be mounted on a removable flange, which can be removed and reassembled easily.
Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung des Weiteren für eine Beschickung der Verdampferzelle verwendet werden. Hierzu umfasst die Verschlusseinrichtung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung eine Trichterkammer, die zu einer der Sammel- und Durchflusskammern benachbart angeordnet ist. Die Verschlusseinrichtung kann in eine Füllposition relativ zu der Verdampferzelle bewegt werden, wobei in der Füllposition Verdampfungsgut durch die Trichterkammer in die Verdampferzelle gefüllt werden kann. Die Trichterkammer umfasst einen zweiseitig offenen Raum, der durch die Deckplatte und die Seitenwandanordnung sowie optional auch die Bodenplatte begrenzt wird. Die Deckplatte und ggf. die Bodenplatte enthalten Öffnungen, durch die Verdampfungsgut in die Verdampferzelle geleitet werden kann. Die Innenwände der Seitenwandanordnung bilden eine sich hin zur Unterseite der Verschlusseinrichtung verjüngende Trichteröffnung, durch die ein zuverlässiges Einleiten von Verdampfungsgut in die Mündungsöffnung der Verdampferzelle erleichtert wird.Advantageously, the closure device according to the invention can furthermore be used for charging the evaporator cell. For this purpose, the closure device according to a further variant of the invention comprises a funnel chamber, which is arranged adjacent to one of the collection and flow chambers. The closure device can be moved into a filling position relative to the evaporator cell, wherein in the filling position evaporating material can be filled through the funnel chamber into the evaporator cell. The funnel chamber comprises a two-sided open space, which is bounded by the cover plate and the side wall assembly and optionally also the bottom plate. The cover plate and possibly the bottom plate contain openings through which evaporating material can be passed into the evaporator cell. The inner walls of the side wall arrangement form a funnel opening, which tapers towards the underside of the closure device, by means of which a reliable introduction of evaporating material into the mouth opening of the evaporator cell is facilitated.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine Verschlusseinrichtung an einer Effusionszelle in einer MBE-Anlage beschrieben, wobei die Verschlusseinrichtung für eine Linearbewegung relativ zu der Verdampferzelle eingerichtet ist und ein Dampfstrahl aus der Verdampferzelle vertikal nach oben gerichtet ist. Es wird betont, dass die Ausführung der Erfindung nicht auf die Anwendung in der MBE-Anlage und die Linearbewegung beschränkt, sondern in gleicher Weise in anderen Beschichtungsanlagen und/oder mit einer Schwenkbewegung (Rotation) der Verschlusseinrichtung möglich ist. Des Weiteren ist die Ausführung der Erfindung mit einer Verdampferzelle möglich, deren Strahlrichtung relativ zur Vertikalen geneigt ist oder die über Kopf, d. h. mit einem vertikal nach unten gerichteten Dampfstrahl betrieben wird. Mit anderen Worten, die in den Figuren horizontal ausgerichtete Verschlusseinrichtung kann relativ zur Horizontalen geneigt betrieben werden. Die Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf Einzelheiten der Verschlusseinrichtung beschrieben. Einzelheiten der Verdampferzelle, der MBE-Anlage und der Verfahren zu deren Betrieb werden nicht beschrieben, soweit diese von herkömmlichen Beschichtungstechniken bekannt sind.Preferred embodiments of the invention will be described below by way of example with reference to a closure device on an effusion cell in an MBE installation, wherein the closure device for a linear movement is arranged relative to the evaporator cell and a steam jet from the evaporator cell is directed vertically upwards. It is emphasized that the embodiment of the invention is not limited to the application in the MBE system and the linear movement, but in the same way in other coating systems and / or with a pivoting movement (rotation) of the closure device is possible. Furthermore, the embodiment of the invention with an evaporator cell is possible, whose jet direction is inclined relative to the vertical or which is operated overhead, ie with a vertically downwardly directed steam jet. In other words, the closure device oriented horizontally in the figures can be tilted relative to the horizontal. The embodiments of the invention will be described below with reference to details of the closure device. Details of the evaporator cell, the MBE plant and the methods of their operation are not described, as far as they are known from conventional coating techniques.
Die Figuren illustrieren die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung in schematischen, nicht maßstabsgerechten Darstellungen. In der praktischen Umsetzung der Erfindung können insbesondere die Größen- und Winkelbeziehungen in Abhängigkeit von den Anwendungsbedingungen und insbesondere für eine Optimierung der Sammel- und Abschirmfunktion der Verschlusseinrichtung gewählt sein.The figures illustrate the closure device according to the invention in schematic, not to scale representations. In the practical implementation of the invention, in particular the size and angle relationships may be selected depending on the conditions of use and in particular for an optimization of the collecting and shielding function of the closure device.
Die in
Die Verschlusseinrichtung
Die Verdampferzelle
Bei Betätigung der Heizung
Die Verschlusseinrichtung
In der Sperrposition ist die Verschlusseinrichtung
Die Verschlusseinrichtung
Die Dimensionierung der Verschlusseinrichtung
Die in den
Die Bodenplatte
Die Ausführungsform gemäß
In
Bei dieser Abschätzung kann der Beitrag einer indirekten Emission von Verdampfungsgut von den vorderen Innenseiten des Tiegels
Die Durchflusskammer
Bei Betrieb der Verdampferzelle
Die zur Mitte der Einrittsöffnung
Die Abtropfeinrichtung
Bei der Variante gemäß
Das Abtropfen von der Abtropfeinrichtung
Da ein Abtropfen von flüssigem Verdampfungsgut oder ein Abbrechen von festem Verdampfungsgut nicht ausgeschlossen werden kann, wenn sich die Sammelkammer
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann mindestens eine der Sammel- und Durchflusskammern
Da die Auffangöffnung
Die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung
Die Verschlusseinrichtung
Gasförmiges Verdampfungsgut wird nicht aus einem Tiegel, sondern mittels einer Düse
Vorteilhafterweise ermöglicht die Trichterkammer
Das Verdampfungsgut liegt für die Verwendung der Verschlusseinrichtung
Es wird betont, dass
Zum Betrieb der Beschichtungsanlage
Die in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the description, the drawings and the claims may be significant both individually and in combination for the realization of the invention in its various forms.
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