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Die Erfindung betrifft eine Verdampferanordnung, die zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat im Vakuum, z. B. mittels Molekularstrahlabscheidung, eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Effusionszelle mit einer Strahlformungseinrichtung für Molekularstrahlen (Dampfstrahlen). Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat im Vakuum. Anwendungen der Erfindung sind z. B. beim Betrieb von Vakuumbeschichtungsanlagen gegeben.
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Eine Vakuumbeschichtungsanlage enthält typischerweise in einer Vakuumkammer mindestens eine Verdampferquelle und mindestens ein zu beschichtendes Substrat (Werkstück). Das zu verdampfende Material (Verdampfungsmaterial) wird in der Verdampferquelle in den dampfförmigen Zustand überführt und als Dampfstrahl (Atome und/oder Moleküle) zum Substrat transportiert, wo es abgeschieden wird. Vor dem Substrat ist oft eine substratseitige Blende angeordnet, mit der unerwünschte Depositionen in der Umgebung des Substrates vermieden und der Dampfstrahl geformt werden sollen.
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Bei den meisten Anwendungen der Vakuumbeschichtung besteht ein Interesse, das Substrat möglichst gleichförmig zu beschichten. Die Homogenität der Beschichtung wird jedoch durch die geometrischen Bedingungen in der Vakuumkammer eingeschränkt. Typischerweise ist die Verdampferquelle annähernd punktförmig, und das Substrat hat im Vergleich zu seinem Abstand r von der Verdampferquelle (Quelle-Substrat-Abstand) eine große räumliche Ausdehnung. Im Hochvakuum oder Ultrahochvakuum, wo die mittlere freie Weglänge der verdampften Atome oder Moleküle groß im Verhältnis zur Ausdehnung der Vakuumkammer ist, hängt die Dicke des abgeschiedenen Materials gemäß 1/r2 vom Quelle-Substrat-Abstand r ab, wodurch Substratabschnitte, z. B. Randbereiche, mit einem größeren Abstand von der Verdampferquelle mit einer geringeren Dicke beschichtet werden als näher liegende.
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Es ist allgemein bekannt, diese Inhomogenität durch eine Rotation oder sonstige Bewegung des Substrats, durch die Verwendung von großflächigen Verdampferquellen oder mehreren Verdampferquellen mit identischem Verdampfungsmaterial sowie durch einen möglichst großen Quelle-Substrat-Abstand zu verringern. Die Wirkung dieser Maßnahmen ist jedoch beschränkt. In der Beschichtungspraxis zeigt sich, dass eine exakt gleichförmige Schichtdicke mit den herkömmlichen Techniken nicht zu erreichen ist, sondern Variationen der Schichtdicke im Verlauf eines Abscheidungsvorgangs auftreten können. Die Verwendung von großflächigen oder mehreren Verdampferquellen oder einem großen Quelle-Substrat-Abstand hat ferner den Nachteil, dass der Aufbau der Vakuumbeschichtungsanlage komplex wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Verdampferanordnung zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat im Vakuum bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden können. Die Verdampferanordnung soll insbesondere eine Schichtabscheidung mit erhöhter Homogenität und/oder einen vereinfachten Aufbau der Vakuumbeschichtungsanlage ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein verbessertes Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat im Vakuum bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden können.
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Diese Aufgaben werden durch eine Verdampferanordnung und ein Abscheidungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Verdampferanordnung gelöst, die zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat im Vakuum (Hochvakuum oder Ultrahochvakuum) eingerichtet ist. Die Verdampferanordnung umfasst ein Verdampfungsreservoir, das zur Aufnahme eines flüssigen oder festen Verdampfungsmaterials und zur Erzeugung eines von einer Verdampferfläche im Verdampfungsreservoir hin zu dem Substrat gerichteten Dampfstrahls des Verdampfungsmaterials eingerichtet ist. Das Verdampfungsreservoir (oder: Reservoir) ist ein heizbarer Behälter für das Verdampfungsmaterial, wie z. B. ein Tiegel, insbesondere eine Effusionszelle, mit einer zum Substrat weisenden Öffnung. Das Verdampfungsreservoir ist aus einem hitzebeständigen Material, insbesondere einem Metall oder einer Keramik hergestellt. Die Verdampferfläche ist eine Oberfläche im Inneren des Verdampfungsreservoirs, an welcher der zum Substrat hin gerichtete Dampfstrahl erzeugt wird. Des Weiteren umfasst die Verdampferanordnung eine substratseitige Blende und eine Substrathalterung. Die substratseitige Blende ist stromaufwärts vor der Substrathalterung angeordnet, und sie umfasst eine Blendenöffnung, die der Dampfstrahl passiert. Die Substrathalterung trägt das zu beschichtende Substrat, wobei eine Substratfläche hin zu der substratseitigen Blende freiliegt. Die Substrathalterung ist für eine ortsfeste Positionierung oder für eine Bewegung, insbesondere Rotation und/oder Translation, des Substrates relativ zum Verdampfungsreservoir eingerichtet.
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Gemäß der Erfindung ist die Verdampferanordnung des Weiteren mit einer quellenseitigen Blende ausgestattet, die zwischen dem Verdampfungsreservoir und der substratseitigen Blende angeordnet ist. Die quellenseitige Blende hat eine Blendenöffnung, die der Dampfstrahl von der Verdampferfläche zu der substratseitigen Blende passiert. Die Blendenöffnung hat eine geringere Größe als das Innenmaß des Verdampfungsreservoirs. Die quellenseitigen Blende ist so geformt, dass alle geraden Dampfwege, welche von der Verdampferfläche im Verdampfungsreservoir durch die quellenseitigen Blende und die substratseitige Blende verlaufen, auf die zu beschichtende Substratfläche treffen.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat im Vakuum (Hochvakuum oder Ultrahochvakuum) gelöst, bei dem zunächst ein Verdampfungsmaterial in einem Verdampfungsreservoir angeordnet und mittels Erwärmung in einen dampfförmigen Zustand überführt wird. Das Verdampfungsmaterial ist eine flüssige oder feste Substanz, z. B. ein Metall, eine organische Verbindung und/oder eine anorganische Verbindung. Es wird ein von einer Verdampferfläche im Verdampfungsreservoir hin zu dem Substrat gerichteter Dampfstrahl des Verdampfungsmaterials erzeugt, der zuerst durch eine quellenseitige Blende und danach durch eine substratseitige Blende durchtritt. Das dampfförmige Verdampfungsmaterial wird auf der freiliegenden Substratfläche des Substrats abgeschieden, so dass sich auf dem Substrat die Schicht bildet. Gemäß der Erfindung verlaufen alle geraden Dampfwege, die von der Verdampferfläche durch die quellenseitigen Blende und die substratseitige Blende führen, zu der Substratfläche.
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Die Erfindung basiert auf einer Strahlformung mit zwei Blendenöffnungen vor einem Reservoir mit Verdampfungsmaterial.
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Der Erfinder hat festgestellt, dass Variationen der Schichtdicke bei herkömmlichen Dampfabscheidungen insbesondere durch eine Variation der Flussdichte des vom Verdampfungsreservoir emittierten Dampfstrahls verursacht werden. Diese kann jedoch durch einfache Substratbewegungen nicht vollständig kompensiert werden, wie sie von herkömmlichen Techniken bekannt sind. Die Variation der Flussdichte wird erst durch die erfindungsgemäße Bereitstellung der quellenseitigen Blende unterdrückt oder vollständig ausgeschlossen. Gemäß der Erfindung kann der Dampfstrahl mit einer zeitlich und räumlich reproduzierbaren Strahlcharakteristik (Verteilung des Dampfstrahls im Raum) erzeugt werden. Bei konstanter Wärmezufuhr zum Verdampfungsmaterial kann eine konstante Strahlcharakteristik eingestellt werden. Da auch eine unveränderliche Strahlcharakteristik eine bestimmte Verteilung der Flussdichte durch eine Bezugsebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Dampfstrahls aufweist (Strahlprofil), wobei die Flussdichte am Rand der Strahlcharakteristik geringer als in deren Mitte ist, sind ggf. zur Erzielung einer konstanten Schichtdicke auf dem Substrat eine Substratbewegung und/oder eine Strahlformung vorgesehen. Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen ist jedoch im Vergleich zu den herkömmlichen Techniken durch die im Folgenden erläuterte Wirkung der quellenseitigen Blende erheblich verbessert.
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Die quellenseitige Blende bildet zusammen mit der Verdampferfläche im Verdampfungsreservoir eine Emitterfläche, deren Strahl durch die substratseitige Blende eingegrenzt wird. Zusammen formen die quellenseitige Blende und die substratseitige Blende den Strahl so, dass sich eine bestimmte Strahlform und damit Beschichtungscharakteristik ergibt. Dabei bildet die quellenseitige Blende zusammen mit dem Reservoir eine virtuelle, füllstandsunabhängige Quelle von Verdampfungsmaterial, während die substratseitige Blende zusammen mit der quellenseitigen Blende durch ihre Form das Strahlprofil des Dampfstrahls definiert.
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Die Funktionsweise und insbesondere die relativ einfache Berechenbarkeit des Strahlprofils beruhen auf der Tatsache, dass im Hochvakuum oder Ultrahochvakuum, d. h. bei einem Druck unterhalb von 10–7 mbar bzw. 10–9 mbar die mittlere freie Weglänge der Atome oder Moleküle des Verdampfungsmaterials, d. h. der statistisch gemittelte Abstand zwischen zwei Stößen dieser Teilchen untereinander, größer ist als die Dimensionen der Vakuumkammer sowie der Verdampferanordnung und ihrer Teile. Die Atome oder Moleküle bewegen sich deshalb geradlinig fort, und ihre Bewegung kann z. B. mittels Monte-Carlo-Berechnungen allein aus diesen geradlinigen Bewegungen und Stößen mit den Wänden vorhergesagt werden.
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Die quellenseitige Blende bildet zusammen mit dem Reservoir des Quellmaterials eine virtuelle Quelle. Diese Quelle ist füllstandsunabhängig, d. h. sie emittiert bei konstanter Temperatur des Verdampfungsmaterials immer einen konstanten Fluss mit einer konstanten Verteilung (Strahlprofil), unabhängig vom Füllstand des Reservoirs. Die Unabhängigkeit der Strahlcharakteristik vom Füllstand im Verdampfungsreservoir beruht darauf, dass von einem Punkt auf dem Substrat aus gesehen eine bestimmte Fläche des Verdampfungsmaterials durch die quellenseitige Blende im Reservoir sichtbar ist. Bei laufendem Betrieb und dadurch mit sinkendem Füllstand entfernt sich diese Fläche von der quellenseitigen Blende, d. h. die Flussdichte, die von dieser Fläche aus die quellenseitige Blende erreicht, sinkt mit dem Quadrat des Abstands des Quellmaterials von der quellenseitigen Blende. Gleichzeitig nimmt aber die von der Probe aus sichtbare Fläche mit dem Abstand des Quellmaterials von der quellenseitigen Blende quadratisch zu, so dass sich beide Effekte genau aufheben. Um diesen Zusammenhang auszunutzen, werden gemäß der Erfindung die quellenseitige Blende und die substratseitige Blende so gestaltet und angeordnet, dass alle Elementarstrahlen, also alle geraden Linien, die durch die Öffnungen beider Blenden verlaufen und auf dem Substrat enden und damit die Bahn eines Atoms oder Moleküls darstellen, in der Verdampferfläche, d. h. beispielsweise in der Quelle auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials oder einer Reaktionsplatte (Reflektorplatte), beginnen.
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Die erfindungsgemäß realisierbare konstante Strahlcharakteristik ermöglicht, dass auf ruhenden oder bewegten Substraten (z. B. Rotation und/oder Translation) eine bestimmte Dickencharakteristik (Schichtdickenverteilung), z. B. eine über die Substratfläche gleichförmige oder eine mit vorbestimmtem Verlauf modulierte Dicke, der Beschichtung erzeugt wird. Verschiedene Varianten, insbesondere für die Anwendung mit korrosivem Verdampfungsmaterial und/oder für die Beschichtung linear bewegter Bänder, sind unten beschrieben.
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Die Blendenöffnungen der quellenseitigen und substratseitigen Blenden können z. B. kreisförmig sein. In diesem Fall wird die Dickencharakteristik durch das Strahlprofil und ggf. eine Bewegung des Substrats bestimmt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Blendenöffnung von mindestens einer der quellenseitigen Blende und der substratseitigen Blende eine von der Kreisform abweichende Blendenform auf. Vorteilhafterweise erlaubt dies, dass die Dickencharakteristik zusätzlich durch die Blendenform bestimmt wird, da diese eine Strahlformung des auf das Substrat treffenden Dampfstrahls bewirkt.
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Vorteilhafterweise kann eine der quellenseitigen Blende und der substratseitigen Blende für die Strahlformung der Querschnittsgestalt des auf das Substrat gerichteten Dampfstrahls eingerichtet sein. In diesem Fall umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine Formung der Querschnittsgestalt des auf das Substrat gerichteten Dampfstrahls durch die quellenseitige Blende oder die substratseitige Blende. Beispielsweise kann die Blendenöffnung entweder der quellenseitigen Blende oder der substratseitigen Blende eine langgestreckte Form aufweisen, deren Endabschnitte breiter als ein Mittelabschnitt zwischen den Endabschnitten sind. Diese Variante der Erfindung ermöglicht eine homogene Dickencharakteristik auf einem unbewegten oder bewegten, z. B. gleichförmig rotierenden oder sich linear bewegenden, Substrat.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die quellenseitige Blende und die substratseitige Blende fest miteinander verbunden. Beide Blenden bilden ein integrales Bauteil (Verbundbauteil), das für eine bestimmte Beschichtungsaufgabe, insbesondere die Herstellung einer bestimmten Dickencharakteristik, konfiguriert ist. Die Blenden können vorteilhafterweise als Verbundbauteil in oder auf das Verdampfungsreservoir ein- oder aufgesetzt werden, oder mit dem Verdampfungsreservoir fest verbunden sein. Besonders bevorzugt sind die quellenseitige Blende und die substratseitige Blende durch eine kegelförmige Wand miteinander verbunden, die sich zwischen Innenrändern der Blendenöffnung der quellenseitigen Blende und der substratseitigen Blende erstreckt. Die kegelförmige Wand bietet den Vorteil einer hohen mechanischen Stabilität bei gleichzeitiger Vermeidung einer Behinderung des Dampfstrahls.
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Das Verdampfungsreservoir ist ein Behälter mit einer zur Substrathalterung weisenden Öffnung, und es ist mit einer regelbaren Heizung, wie z. B. einer Widerstandsheizung und/oder einer Elektronenstrahlheizung ausgestattet. Der Behälter hat vorzugsweise die Gestalt eines rotationssymmetrischen Tiegels, z. B. mit einer zylinderförmigen Tiegelwand, einem Tiegelboden und einer Tiegelöffnung. Der Tiegel bildet z. B. eine Effusionszelle. Die quellenseitige Blende und die substratseitige Blende werden vorzugsweise aus demselben Material wie der Tiegel (Reservoir) hergestellt. Des Weiteren haben die Blenden vorzugsweise eine rotationssymmetrische Außenform. Vorteilhafterweise wird damit eine Anpassung an einen Tiegel mit einer kreisförmigen Öffnung erhalten. Alternativ kann der Behälter die Gestalt eines nicht-rotationssymmetrischen Tiegels, z. B. mit einer elliptischen Querschnittform, haben, wobei die Blenden in diesem Fall vorzugsweise ebenfalls eine nicht-rotationssymmetrische Außenform aufweisen.
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Vorteilhafterweise ist die Erfindung mit verschiedenen Arten von Verdampferflächen realisierbar. Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist die Verdampferfläche die zur Tiegelöffnung weisende Seite des Verdampfungsmaterials im Tiegel. Mit anderen Worten, die Verdampferfläche wird durch die Innenquerschnittsfläche des Tiegels gebildet, die sich senkrecht zur Verbindungslinie zwischen dem Tiegelboden und der Tiegelöffnung, insbesondere senkrecht zur Tiegelachse eines zylindrischen Tiegels erstreckt. Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung ist die Verdampferfläche eine zur Substrathalterung weisende Oberfläche einer im Tiegel angeordneten, heizbaren Reaktionsplatte. Diese Variante der Erfindung hat Vorteile bei einer reaktiven Verdampfung, bei welcher der Dampfstrahl durch die Reaktion von Ausgangsstoffen an der Reaktionsplatte im Tiegel erzeugt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verdampfungsreservoir einen Deckel auf, der eine Begrenzung des Reservoirs an seiner zur Substrathalterung weisenden Seite bildet. Der Deckel weist eine verschließbare Deckelöffnung auf. Die quellenseitige Blende und die substratseitige Blende können mit dem Deckel verbunden sein. Vorteilhafterweise wird damit eine Ausrichtung der Blenden relativ zum Reservoir durch das Aufsetzen des Deckels auf dem Reservoir vereinfacht.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn die quellenseitige Blende im Inneren des Verdampfungsreservoirs angeordnet, insbesondere in das Verdampfungsreservoir eingesetzt oder eingehängt ist. Typischerweise sind z. B. Tiegel nicht bis zur Tiegelöffnung mit Verdampfungsmaterial gefüllt, so dass genügend Platz für die quellenseitige Blende im Tiegel verbleibt. Wenn die Blenden ein Verbundbauteil bilden, ist besonders bevorzugt die substratseitige Blende gemeinsam mit der quellenseitigen Blende in das Verdampfungsreservoir eingesetzt oder eingehängt, wobei die substratseitige Blende ebenfalls im Inneren des Verdampfungsreservoirs, im Bereich von dessen Öffnung oder vor der Öffnung vorstehend angeordnet ist. Vorteilhafterweise vereinfachen diese Varianten der Erfindung die Nachrüstung bestehender Verdampferquellen mit der erfindungsgemäß verwendeten quellenseitigen Blende.
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Zusätzliche Freiheitsgrade bei der Strahlformung ergeben sich vorteilhafterweise, wenn gemäß weiteren Varianten der Erfindung die substratseitige Blende relativ zur quellenseitigen Blende azentrisch angeordnet ist, asymmetrisch geformt ist und/oder mehrere Öffnungen aufweist. Wenn die substratseitige Blende azentrisch angeordnet oder asymmetrisch geformt ist, kann eine Strahlrichtung erreicht werden, die nicht der Symmetrieachse des vorzugsweise rotationssymmetrischen Verdampfungsreservoirs entspricht. Die substratseitige Blende kann mehrere Öffnungen haben, um mehrere Substrate zu beschichten ohne den Bereich zwischen den Substraten mit Verdampfungsmaterial zu beaufschlagen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zwischen der substratseitigen Blende und der Substrathalterung eine weitere Abschirmblende angeordnet sein, die beispielsweise als so genannter Shutter eine Verschlussfunktion erfüllt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematische Illustration einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampferanordnung;
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2: eine schematische Illustration der Strahlformung mit der Verdampferanordnung gemäß 1;
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3 und 4: schematische Illustrationen von weiteren Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Verdampferanordnung;
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5: eine schematische Illustration einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampferanordnung; und
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6: weitere Einzelheiten der Verdampferanordnung gemäß 5.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Gestaltung der Verdampferanordnung, insbesondere die Anordnung der quellen- und substratseitigen Blenden und die Ausführung des Verfahrens zur Beschichtung eines Substrats beschrieben. Einzelheiten des Beschichtungsverfahrens werden nicht genannt, soweit diese von herkömmlichen Verfahren, insbesondere Verfahren mit thermischer Verdampfung des Verdampfungsmaterials, bekannt sind. Betriebsbedingungen der Verdampferanordnung, insbesondere die Wahl und Regelung der Verdampfertemperatur und des Druckes in einer Vakuumkammer, die Gestaltung der Vakuumkammer, die Wahl des zeitlichen Ablaufs eines Beschichtungsverfahrens und die Bewegung von Substraten, können realisiert werden, wie es von herkömmlichen Beschichtungsverfahren bekannt ist.
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Die Ausführungsformen der Erfindung werden unter beispielhaftem Bezug auf Verdampferanordnungen beschrieben, die mit einer Effusionszelle, z. B. für Anlagen für die Molekularstrahlepitaxie (MBE), ausgestattet sind. Die Erfindung ist nicht auf die beispielhaft beschriebene Tiegelart, deren Formen oder Größen beschränkt, sondern entsprechend auch mit Verdampferanordnungen anwendbar, die an andere Anwendungen von Beschichtungs-Anlagen, angepasst sind. Die Verdampferanordnung ist aus Materialien aufgebaut, wie sie aus der Vakuumtechnik bekannt sind. Für Anwendungen bei hohen Betriebstemperaturen (z. B. oberhalb von 600°C) und/oder mit korrosivem Verdampfungsmaterial werden vorzugsweise hitze- und korrosionsbeständige Metalle, wie z. B. Tantal oder Wolfram, oder Keramik, wie z. B. Bornitrid oder Aluminiumoxid, verwendet, die vorzugsweise ohne separate Befestigungselemente miteinander gekoppelt, z. B. eingesetzt, eingehängt oder verklemmt sind. Bei niedrigeren Betriebstemperaturen oder nicht-korrosiven Verdampfungsmaterial können Befestigungselemente, wie z. B. Biegelaschen, Nieten und/oder Schrauben aus Metall vorgesehen sein.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdampferanordnung 100 in teilweise geschnittener Perspektivansicht gezeigt. Die Verdampferanordnung 100 ist in einer Vakuumkammer (nicht gezeigt) angeordnet, wie sie z. B. bei einer MBE-Anlage vorgesehen ist. Die Verdampferanordnung 100 umfasst ein Verdampfungsreservoir 10, eine quellenseitige Blende 20, eine substratseitige Blende 30 und eine Substrathalterung 40. Optional kann zwischen der substratseitigen Blende 30 und der Substrathalterung 40 eine weitere Abschirmblende 50 angeordnet sein.
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Das Verdampfungsreservoir 10 umfasst einen Tiegel 11 mit einer zylindrischen Tiegelwand 12, einem Tiegelboden 13 und einer Tiegelöffnung 14. Der Tiegel 11 ist mit einer Widerstandsheizung (nicht gezeigt) und einer Tiegelhalterung (nicht gezeigt) ausgestattet. In der Vakuumkammer ist der Tiegel 11 mit einer Axialrichtung 6 angeordnet, die parallel oder geneigt zur Vertikalen verläuft, wobei der Tiegelboden 13 nach unten, d. h. in Gravitationsrichtung, und die Tiegelöffnung 14 entgegengesetzt nach oben weisen. Im Inneren des Tiegels 11 ist das Verdampfungsmaterial 3, wie z. B. Ga, Al, Sb oder Ag, angeordnet. Die Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3 bildet die Verdampferfläche 4, von der Verdampfungsmaterial im dampfförmigen Zustand als Dampfstrahl 5 emittiert wird. Der Tiegel 11 ist aus Metall, z. B. aus Tantal, oder einer Keramik, z. B. aus pyrolytischem Bornitrid, hergestellt und hat einen Innendurchmesser von z. B. 30 mm und eine axiale Länge von z. B. 15 cm.
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Oberhalb des Verdampfungsreservoirs 10 ist die quellenseitige Blende 20 angeordnet, die aus einer ebenen Platte 21 aus Metall, z. B. Tantal oder Edelstahl, hergestellt ist und eine kreisförmige Blendenöffnung 22 aufweist. Der Durchmesser der Blendenöffnung 22 beträgt z. B. 10 mm, und die Dicke der Platte 21 beträgt z. B. 1 mm. Die quellenseitige Blende 20 ist so angeordnet, dass die Platte 21 sich senkrecht zur Axialrichtung 6 des Tiegels 11 erstreckt und die Mitte der Blendenöffnung 22 mit der Axialrichtung 6 zusammenfällt. In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der Tiegelöffnung 14 und der quellenseitigen Blende 20 abweichend von der Darstellung in 1 kein Abstand besteht. In diesem Fall wird die quellenseitige Blende 20 durch den Tiegel mitgeheizt, so dass ein unerwünschtes Zusetzen der Blende unterdrückt oder vermieden wird. In Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung kann jedoch ein Abstand zwischen der quellenseitigen Blende 20 und der Tiegelöffnung 14 vorgesehen sein, der z. B. 2 cm beträgt.
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Stromabwärts oberhalb der quellenseitigen Blende 20 ist die substratseitige Blende 30 angeordnet, die ebenfalls aus einer ebenen Platte 31 aus Metall, z. B. Tantal oder Edelstahl hergestellt ist und eine Blendenöffnung 32 aufweist. Die Blendenöffnung 32 hat zur Formung des Dampfstrahls 5 eine von der Kreisform abweichende Form, z. B. eine Rechteckform. Der Maße der Blendenöffnung 32 betragen z. B. 4 mm·25 mm, und die Dicke der Platte 31 beträgt z. B. 1 mm. Die Platte 31 der substratseitigen Blende 30 ist parallel zur quellenseitigen Blende 20 angeordnet, und die Mitte der Blendenöffnung 32 fällt mit der Axialrichtung 6 zusammen. Der Abstand der substratseitigen Blende 30 von der quellenseitigen Blende 20 beträgt z. B. 3 cm.
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Die Substrathalterung 40 umfasst einen Trägerrahmen 41, z. B. aus Metall, zur Aufnahme eines Substrats 2, wie z. B. einer Glas-, Kunststoff- oder Halbleiterscheibe. Der Trägerrahmen 41 bildet eine Öffnung, in der die nach unten, zur substratseitigen Blende 30 weisende Oberfläche (Substratfläche 7) des Substrats 2 freiliegt. Der Maße der Substratfläche 7 betragen z. B. 50 mm·50 mm. Stromaufwärts vor der Substrathalterung 40 kann optional die Abschirmblende 50 (gestrichelt gezeigt) angeordnet sein, die eine verschwenkbare Platte umfasst und als Shutter wirkt.
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Zur Abscheidung einer Schicht 1 auf der Substratfläche 7 wird das Verdampfungsmaterial 3 im Tiegel 11 erwärmt und in den dampfförmigen Zustand überführt. Von der Verdampferfläche 4 ausgehend wird der Dampfstrahl 5 emittiert, der auf die quellenseitige Blende 20 trifft. Der Teil des Dampfstrahls 5, der die Blendenöffnung 22 passiert, trifft auf die substratseitige Blende 30, wo eine Strahlformung derart erfolgt, dass auf der Substratfläche 7 die Schicht 1 in Gestalt eines langgestreckten Feldes, ähnlich der Gestalt der Blendenöffnung 32 mit abgerundeten Ecken, abgeschieden wird.
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Gemäß der Erfindung sind die quellenseitige Blende 20 und die substratseitige Blende 30 so angeordnet, dass alle geraden Dampfwege 8, die von der Verdampferfläche 4 durch die quellenseitigen Blende 20 und die substratseitige Blende 30 verlaufen, auf die Substratfläche 7 treffen. Die quellenseitige Blende 20 bildet zusammen mit dem Tiegel 11 eine füllstandsunabhängige Quelle, wobei aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge bei konstanter Temperatur des Verdampfungsmaterials der Fluss im Dampfstrahl 5 und dessen Strahlprofil oberhalb der quellenseitigen Blende 20 unabhängig vom Füllstand im Tiegel 11 konstant sind. Dies erlaubt, mit der substratseitigen Blende 30 ausschließlich die äußere Form des Dampfstrahls 5, wie gezeigt z. B. rechteckig, zu bestimmen.
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2 illustriert die Bildung des Dampfstrahls 5 mit der Verdampferanordnung 100 gemäß 1, umfassend das Verdampfungsreservoir 10, die quellenseitige Blende 20, die substratseitige Blende 30 und die Substrathalterung 40, in schematischer Schnittansicht. Der Tiegel 11 ist so ausgelegt, dass für alle im Betrieb realisierten Füllstände der innere Doppelkegel 5.1 in 2 auf Verdampfungsmaterial 3 im Tiegel 11 endet. Oberhalb der Substrathalterung 40 illustriert eine Kurvendarstellung schematisch eine Dickencharakteristik 9 einer abgeschiedenen Schicht. Durch die endliche räumliche Ausdehnung der virtuellen Quelle, umfassend das Verdampfungsreservoir 10 und die quellenseitige Blende 20, ergibt sich in der Dickencharakteristik 9 auf dem Substrat ein Randbereich, in dem nicht mehr die maximal mögliche (Teil-)Fläche der virtuellen Quelle vom Substrat aus sichtbar ist. Die virtuelle Quelle wird teilweise abgeschattet. Dieser im Allgemeinen nicht für die Beschichtung verwendete Randbereich ist durch den zweiten, äußeren Doppelkegel 5.2 in 2 gezeigt.
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Der Öffnungswinkel des durch die gezeigten Elementarstrahlen definierten inneren Doppelkegels 5.1 des Dampfstrahls 5 wird bei vorgegebenem Fassungsvermögen an Verdampfungsmaterial durch die Tiefe und die Querschnittsfläche des Tiegels 11 bestimmt. Bei sinkendem Füllstand ergibt sich der Fluss des durch die quellenseitige Blende 20 (virtuelle Quelle) tretenden Dampfstrahls 5 aus dem Abstand der Verdampferfläche 4 (Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3) von der quellenseitigen Blende 20, wobei der Fluss mit dem Quadrat des Abstands abnimmt. Gleichzeitig nimmt aber mit dem Abstand die innerhalb des inneren Kegels 5.1 liegende Fläche des Verdampfungsmaterials quadratisch zu, so dass sich diese beiden Effekte genau aufheben und damit der integrierte Fluss vom Füllstand unabhängig wird. Dies gilt für jede Teilfläche der Verdampferfläche 4 und somit der virtuellen Quelle, so dass diese homogen und füllstandsunabhängig emittiert.
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Die Emissionscharakteristik des Verdampfungsmaterials ist proportional zum Kosinus des lokalen Emissionswinkels, d. h. der Fluss pro projiziertem Oberflächenelement des Verdampfungsmaterials ist ebenfalls konstant. Dadurch ist der Fluss durch die virtuelle Quelle selbst bei nichtflüssigem Verdampfungsmaterial (z. B. Granulat) oder geneigter Einbaulage des Tiegels 11 konstant. Die virtuelle Quelle verhält sich somit wie eine konstant und homogen emittierende ebene Fläche in der Blendenöffnung 22 der quellenseitigen Blende 20 und wird daher als Emitter einer Verdampferquelle mit gleichförmigem und konstantem Fluss verwendet.
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Die substratseitige Blende 30 bildet den Strahlformer, der den konstanten Fluss der virtuellen Quelle räumlich moduliert, so dass sich die Dickencharakteristik 9 bei bewegten Werkstücken in Abhängigkeit von der konkreten Beschichtungsaufgabe in vorbestimmter Weise einstellen lässt. Sind sowohl der Tiegel 11 als auch das Substrat 2 während der Bedampfung ortsfest und die Blendenöffnungen kreisrund, wobei die Öffnung der quellenseitigen Blende 20 kleiner als die Öffnung der substratseitigen Blende 30 ist, so nimmt die Schichtdicke in Strahlrichtung auf einem Werkstück innerhalb des durch virtuelle Quelle und Strahlformer definierten Dampfstrahls mit dem Quadrat des Abstands von der virtuellen Quelle ab. Wird das Substrat 2 bewegt, z. B. rotiert oder linear vor dem Verdampfungsreservoir 10 vorbeibewegt, so kann durch die Form der Blendenöffnung 32 der substratseitige Blende 30 die Verweilzeit eines Oberflächenelements des Substrats 2 im Dampfstrahl variabel gestaltet werden, so dass sich die Schichtdicke unabhängig vom Abstand zur virtuellen Quelle in weiten Bereichen einstellen lässt. Vorteilhafterweise kann so eine Schichtdicke mit einer Homogenität erreicht werden, die gegenüber herkömmlichen Techniken erheblich verbessert ist.
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Wenn die Blendenöffnungen nicht kreisrund, sondern unregelmäßig, z. B. länglich geformt sind und die Öffnung der quellenseitigen Blende 20 die gleiche Größe wie die Öffnung der substratseitigen Blende 30 aufweist, kann eine homogene Schichtdicke auch ohne eine Substratbewegung erzielt werden.
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Wenn die substratseitige Blende 30 in der Mitte z. B. eine geringere Ausdehnung der Blendenöffnung 32 hat als am Rand (”Sanduhr”-Form der Blendenöffnung 32) sind bei einem rotierenden Substrat, auf das der Dampfstrahl 5 mittig gerichtet ist, die Randbereiche zeitlich länger dem Dampfstrahl 5 ausgesetzt als die zentralen Bereiche. Der Abfall der Schichtdicke zum Rand hin kann damit ausgeglichen oder sogar umgekehrt werden. Bei linear bewegten Substraten oder Bändern werden ebenso die Randbereiche der Substrate in Bewegungsrichtung zeitlich länger beschichtet als die näher gelegenen zentralen Bereiche, und man erreicht mit einer einzigen Verdampferanordnung, die in etwa mittig auf das Band gerichtet ist, eine gleichförmig dicke Beschichtung (siehe auch 5 und 6).
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Umgekehrt können, falls ein großer Arbeitsabstand erforderlich ist, die substratseitige Blende 30 klein und ihr Abstand zur quellenseitige Blende 20 groß gewählt werden, so dass sich eine starke Richtwirkung ergibt und wenig Material am Substrat vorbei die Vakuumkammer beschichtet.
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Die Funktionen von quellenseitiger Blende 20 und substratseitiger Blende 30 können vertauscht sein. Dann ist die substratseitige Blende 30 z. B. kreisrund, und die Form der quellenseitigen Blende 20 weicht von der Kreisform ab, um das gewünschte Strahlprofil zu erreichen. Ebenso können beide Blenden von der Kreisform abweichende Formen haben.
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3 illustriert Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Verdampferanordnung für einen im Verhältnis zum Tiegeldurchmesser großen Arbeitsabstand zum Substrat ausgelegt ist und die Blenden 20, 30 durch ein oder mehrere Einsetzteil(e) (Inserts) gebildet werden. Das Verhältnis des Arbeitsabstands zum Substrat zum Tiegeldurchmesser beträgt z. B. 10:1, mit einem Arbeitsabstand von z. B. 30 cm und einem Durchmesser der Tiegelöffnung von z. B. 30 mm. Gemäß 3A werden die quellenseitige Blende 20 und die substratseitige Blende 30 durch ein einziges gemeinsames Verbundbauteil 60 gebildet. Das Verbundbauteil 60 hat die Gestalt eines geraden Kreiskegelstumpfs, dessen engere Öffnung die Blendenöffnung 22 der quellenseitigen Blende 20 und dessen weitere Öffnung die Blendenöffnung 32 der substratseitigen Blende 30 bildet. Die quellenseitige Blende 20 und die substratseitige Blende 30 sind durch eine kegelförmige Seitenwand 61 miteinander verbunden, welche die Innenränder der beiden Blendenöffnungen geradlinig verbindet und an deren oberen Ende bei der Blendenöffnung 32 ein umlaufender Kragen 62 vorgesehen ist.
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Die Blendenöffnungen 22, 32 und die Seitenwand 61 des Verbundbauteils 60 sind so geformt, dass sie den inneren Doppelkegel 5.1 aufnehmen, der durch die Verbindungslinien vom Rand der Verdampferfläche 4 bei geringstem Füllstand, d. h. vom Rand des Tiegelbodens 13, über den Innenrand der Blendenöffnung 22 der quellenseitigen Blende zum Substrat (nicht gezeigt) gebildet wird. Die Schnittfläche des inneren Doppelkegel 5.1 mit der Oberfläche des Substrats bildet die zu beschichtende Substratfläche mit einer zeitlich unveränderlichen Dickencharakteristik. Ein äußerer Doppelkegel 5.2 wird durch die Verbindungslinien vom Rand der Verdampferfläche 4 beim höchsten Füllstand über den Innenrand der Blendenöffnung 22 der quellenseitigen Blende zum Substrat gebildet. Der äußere Doppelkegel 5.2 beschreibt auf dem Substrat einen größeren Randbereich, der die zu beschichtende Substratfläche umgibt. In dem Randbereich ist eine zeitlich veränderliche Dickencharakteristik gegeben.
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Das Verbundbauteil 60 ist in den Tiegel 11 eingehängt. Somit sind die Blendenöffnung 22 der quellenseitigen Blende im Inneren des Tiegels oberhalb der Verdampferfläche 4 des Verdampfungsmaterials 3 und die Blendenöffnung 32 der substratseitigen Blende 30 bei der Tiegelöffnung 14 angeordnet. Die kegelförmige Bauweise ist vorteilhaft, weil das Verbundbauteil 60 aus einem einzigen Teil herstellbar ist. Darüber hinaus ist diese Bauweise effizienter, weil kein Dampf an einer Unterseite der substratseitigen Blende reflektiert werden kann, der nach einer Rückreflektion an der quellenseitigen Blende oder weiteren Mehrfachreflektionen die Verdampfungsanordnung in unerwünschte Richtungen verlassen würde, die nicht zur Beschichtung verwendet werden.
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Beide Blendenöffnungen 22, 32 sind bei der Ausführungsform von 3A kreisförmig gebildet, und der Tiegel 11 ist z. B. rotationssymmetrisch. Die Rotationssymmetrie hat Vorteile bei der Herstellung der Verdampferanordnung. Rotationssymmetrische Tiegel lassen sich aus keramischen Materialien besonders einfach fertigen, weil Urformen für die keramischen Materialien auf Drehmaschinen hergestellt werden können und weil sich thermische Ausdehnung und Verformungen während des Fertigungsprozesses gleichmäßig verteilen, was zu höheren Fertigungsausbeuten führt. Die Rotationssymmetrie ist jedoch nicht notwendigerweise vorgesehen. Alternativ kann können die Blendenöffnungen 22, 32 und die Seitenwand 61 des Verbundbauteils 60 als schiefer Kegel geformt sein. Ferner kann bei einer abgewandelten Variante der Erfindung der Tiegel nicht-rotations-symmetrisch und/oder eine der Blendenöffnungen 22, 32 nicht-kreisförmig gebildet sein. Im letzteren Fall ist die Seitenwand 61 nicht kegelförmig, sondern als gekrümmte Verbindungsfläche geformt, die durch die geraden Verbindungslinien zwischen den Rändern der Blendenöffnungen 22, 32 aufgespannt sind.
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Die Herstellung des Verbundbauteils 60 kann aufwändig sein, wenn eine der Blendenöffnungen 22, 32 nicht-kreisförmig geformt ist. Daher kann es gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die in 3B gezeigt ist, von Vorteil sein, die quellenseitige Blende 20 und die substratseitige Blende 30 als getrennte Inserts in den Tiegel 11 einzuhängen. In dieser Ausführung werden die Blendenteile formschlüssig und damit den Haupttiegel seitlich abdichtend in den Haupttiegel nacheinander eingesetzt. Die quellenseitige Blende 20 umfasst ein erstes Insert in Gestalt eines Hohlzylinders mit einem Boden, in dem die Blendenöffnung 22 gebildet ist, und einem umlaufenden Kragen 23, der auf dem Rand der Tiegelöffnung 14 ruht. In die quellenseitige Blende 20 ist die substratseitige Blende 30 als zweites Insert eingehängt, das ebenfalls die Gestalt eines Hohlzylinders aufweist. Im Boden des Hohlzylinders ist die Blendenöffnung 32 gebildet, und ein umlaufender Kragen 33 ruht auf dem Kragen 23 der quellenseitigen Blende 20. Die Blendenöffnungen 22, 32 sind so geformt, dass alle geraden Dampfwege von der Verdampferfläche durch die Blenden 20, 30 auf die Substratfläche (nicht gezeigt) treffen.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verdampferfläche 4 durch eine Reaktionsplatte 15 im Tiegel 11 gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform können die Blenden durch ein gemeinsames Verbundbauteil 60 (4A) oder durch getrennte Inserts (4B) bereitgestellt werden, wie oben unter Bezug auf 3 beschrieben wird. Die Reaktionsplatte 15 hat eine im Wesentlichen homogen mit Verdampfungsmaterial angestrahlte Oberfläche, deren Temperatur so eingestellt wird, dass das Verdampfungsmaterial nicht an ihr haften bleibt (Reflektor). Diese Ausführungsform ist insbesondere für Effusionszellen geeignet, bei denen die letzte von den Verdampfungsmaterialteilchen berührte Oberfläche vor dem Verlassen der Zelle auf einer höheren Temperatur gehalten wird als das übrige Reservoir, z. B. um die Moleküle des Verdampfungsmaterials zu aktivieren oder aufzubrechen (so genannte Cracker-Zelle).
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Bei der Cracker-Zelle gemäß 4 wird die Reaktionsplatte 15 im vorderen Teil des Tiegels 11 auf wesentlich höhere Temperaturen geheizt als das übrige Volumen, um die emittierten Moleküle oder Atome anzuregen oder aufzubrechen. Hierzu wird z. B. eine Widerstandsheizung mit einer im vorderen Teil des Tiegels 11 höheren Heizleistung verwendet. Die Reaktionsplatte 15 ist im Boden eines Hohlzylinders gebildet, der als Insert in den Tiegel 11 eingehängt ist, und sie wird von einer abschnittsweise ringförmigen Öffnung 16, gebildet z. B. durch Bohrungen im Blech der Reaktionsplatte 15 umgeben. Haltestäbe (nicht gezeigt) sind vorgesehen, um die Reaktionsplatte 15 mit dem übrigen Insert zu verbinden. Das Insert mit der Reaktionsplatte 15 kann somit als eine weitere Blende beschrieben werden, die eine oder mehrere Öffnungen im Randbereich aufweist, jedoch im mittleren Bereich geschlossen ist. Die Reaktionsplatte 15 hat die Wirkung zu verhindern, dass Atome oder Moleküle direkt von der Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3 auf das Substrat gelangen. Die verdampften oder sublimierten Teilchen berühren mindestens eine Oberfläche des Inserts, insbesondere die Reaktionsplatte 15, bevor sie den Tiegel 11 verlassen.
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Die Innenfläche der Reaktionsplatte 15 ist so bemessen, dass sie die Schnittfläche mit dem äußeren Doppelkegel 5.2 (siehe 2) abdeckt. Diese Innenfläche bildet nun zusammen mit der Blendenöffnung 22 der quellenseitigen Blende, insbesondere dem unteren Rand der kegelförmigen Seitenwand des Verbundbauteils 60, die virtuelle Quelle.
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Die 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdampferanordnung 100 (ohne die Substrathalterung), die für einen Quelle-Substrat-Abstand ausgelegt ist, der relativ zur Größe des Substrats gering ist. Beispielsweise haben bei großen rotierenden Substraten und breiten Substratbändern die zu beschichtenden Substratflächen typische Dimensionen (Durchmesser oder Breite) von z. B. 30 cm bis 160 cm, während der Quelle-Substrat-Abstand beim dargestellten Beispiel kleiner als z. B. 50 cm ist. Das Verhältnis aus Quelle-Substrat-Abstand und Dimension der Substratfläche ist vorzugsweise kleiner als 2, besonders bevorzugt kleiner als 1. Daraus ergibt sich, dass der Dampfstrahl einen großen Öffnungswinkel aufweist und das Verdampfungsreservoir breit und gedrungen ausgeführt wird. Daher ist bei dieser Ausführungsform das Verdampfungsreservoir vorzugsweise mit einem Deckel ausgestattet.
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5 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein Verdampfungsreservoir 10 mit einem Tiegel 11 (Effusionszelle) und einem Deckel 17, der die die quellenseitige Blende 20 und die substratseitige Blende 30 trägt. 6 zeigt zwei Varianten mit verschiedenen substratseitigen Blende 30 in Draufsicht auf den Deckel 17.
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Vorzugsweise ist der Deckel 17 mit einer separaten Heizeinrichtung (nicht gezeigt) geheizt, um eine Kondensation von Verdampfungsmaterial am Deckel 17 zu vermeiden. Der Deckel 17 erfüllt eine Doppelfunktion. Erstens wird die Tiegelöffnung mit dem Deckel 17 geschlossen. Zweitens trägt der Deckel 17 die Blenden 20, 30, die ähnlich wie in den 3A und 4A mit den Blendenöffnungen 22 und 32 geformt sind. In diesem Fall bilden die Blenden 20, 30 jedoch kein gemeinsames Verbundbauteil, sondern separate Bauteile, die in den Deckel 17 eingesetzt sind und zusammengesteckt einen Blendenstrahlformer bilden. Die Blenden 20, 30 sind nicht am oberen Rand des Tiegels 11 gehaltert, sondern direkt mit dem Deckel 17 verbunden, z. B. in der Deckelöffnung 18 in der Mitte des Deckels 17 eingehängt.
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Die quellenseitige Blende 20 umfasst eine kegelstumpfförmige Blendenwand 24, an deren engem Ende die kreisrunde Blendenöffnung 22 gebildet ist und an deren weitem Ende Haltelaschen 25 in axialer Richtung vorstehen. Die Haltelaschen 25 weisen in radialer Richtung horizontale Nuten 26 auf, die zur Aufnahme der substratseitigen Blende 30 vorgesehen sind.
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Die substratseitige Blende 30 umfasst eine Halteklammer 34 in Gestalt eines ebenen Bügels oder einer ebenen Platte mit einer rechteckigen Außenseite und einer rechteckig (6A) oder gekrümmt (6B) geformten Innenseite. Die Blendenöffnung 32 der substratseitigen Blende 30 wird durch die Innenseite der Halteklammer 34 und einen Rand der Deckelöffnung 18 geformt. Die Halteklammer 34 definiert somit gleichzeitig die Form der oberen Blende. Beispielsweise sind gemäß 6B die Endabschnitte der Blendenöffnung 32 breiter als ein Mittelabschnitt zwischen den Endabschnitten. Vorteilhafterweise kann die Halteklammer 34 einfach und preiswert gefertigt und zur Feinabstimmung des Strahlprofils einfach ausgetauscht werden.
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Die in der vorstehenden 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.
