DE102015105310A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien mittels Elektronenstrahl - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien mittels Elektronenstrahl Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfung von Materialien, bei denen ein Verdampfungsmaterial in einem Tiegel zur Beschichtung eines Substrats verdampft wird, wobei ein Elektronenstrahl mittels einer Elektronenstrahlquelle erzeugt und auf eine Verdampfungsstelle gerichtet wird, welche auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials ausgebildet wird. Um Verdampfung aus niedrigschmelzenden Materialien mittels SAD-Prozess zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher Energieeintrag auf die Verdampfungsstelle gerichtet, wodurch die Verdampfungsstelle mit dem Elektronenstrahl und zugleich mit dem Energieeintrag bestrahlt wird. Dadurch können ausreichende Elektronen aus dem Verdampfungsmaterial herausgelöst werden und damit kann ein Plasma durch einen diffusen Lichtbogen unmittelbar über der Oberfläche des Verdampfungsmaterials mittels einer Elektrode erzeugt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen von Materialien, bei dem ein Verdampfungsmaterial in einem Tiegel zur Beschichtung eines Substrats verdampft wird, wobei ein Elektronenstrahl mittels einer Elektronenstrahlquelle erzeugt und auf eine Verdampfungsstelle gerichtet wird, welche auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials ausgebildet wird.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien zur Beschichtung eines Substrats, umfassend einen Tiegel zum Bereitstellen eines Verdampfungsmaterials und eine Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, wobei der Elektronenstrahl auf eine Verdampfungsstelle gerichtet ist, welche sich auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials befindet. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines Plasmas.
  • Zum Verdampfen von Materialien mittels Elektronenstrahl wird typischerweise ein zu verdampfendes Material in einem Tiegel bereitgestellt. Dabei wird ein hochenergetischer Elektronenstrahl mittels einer Elektronenkanone erzeugt und auf die Oberfläche des Verdampfungsmaterials gerichtet. Die Oberfläche des Verdampfungsmaterials wird direkt durch die Energie des Elektronenstrahls derart beheizt, dass das Verdampfungsmaterial in die Dampfphase übergeht.
  • Das Elektronenstrahlverdampfen ist ein Verfahren zur Hochratebeschichtung. Es sind dynamische Beschichtungsraten von größer 300 nm·m/min erzielbar. Ein Nachteil des Elektronenstrahlverdampfens besteht in dem nicht vorhandenen Anteil von angeregten und ionisierten Teilchen und der damit einhergehenden geringen Energie der verdampften Teilchen. Da die Dampfteilchenenergien relativ gering sind, entstehen mitunter Schichtstrukturen mit unbefriedigenden Funktionseigenschaften.
  • Durch eine Plasmaanregung des Dampfes können die Dampfteilchenenergien wesentlich erhöht werden und zu verbesserten Schichteigenschaften führen. Bei einer reaktiven Prozessführung kann die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Dampfteilchen und Reaktivgasteilchen wesentlich erhöht werden. Dadurch können Verbindungen mit der angestrebten Zielstöchiometrie mit höherer Rate abgeschieden werden. Die angeregten und ionisierten Teilchen ermöglichen die Ausbildung von Schichten mit besseren mechanischen, optischen sowie strukturellen Eigenschaften.
  • Die Plasmaanregung von mittels Elektronenstrahl erzeugten Dämpfen kann auf verschiedene Weise erfolgen. So ist zum Beispiel bekannt, dass mit dem Elektronenstrahl erzeugte Dampfwolken mit einem Hohlkathodenplasma angeregt werden können. Alternativ ist ein sogenannter SAD-Prozess (Spotless arc activated deposition) bekannt, bei dem durch Kombination eines diffusen Lichtbogens mit der Elektronenstrahlverdampfung die Plasmaerzeugung im Bereich der Dampfquellerzeugung angesiedelt ist. Der SAD-Prozess hat jedoch den Nachteil, dass er nur bei wenigen Materialien, den sogenannten refraktären Metallen, zum gewünschten Ergebnis führt. Der SAD-Prozess kann beispielsweise zur Verdampfung von Titan, Molybdän oder Wolfram eingesetzt werden. Für die meisten Verdampfungsmaterialien ist der SAD-Prozess aufgrund zu geringer Elektronenemission aus dem Verdampfungsmaterial jedoch nicht anwendbar.
  • Beim SAD-Prozess lässt sich ein Plasma von refraktären Metallen mittels der aus dem Verdampfungsmaterial emittierten Sekundärelektronen zünden. Die Erzeugung eines derartigen Plasmas gelingt aber nicht, wenn am Ort der Verdampfung im Verhältnis zur Atomemission bzw. Ionenemission eine zu geringe Menge von Sekundärelektronen austritt, sodass die Zündschwelle für ein Plasma nicht überschritten werden kann. Dies ist beispielsweise bei einem Verdampfen von keramischen Materialien wie SiO2 der Fall.
  • Transparente keramische Werkstoffe wie Aluminiumoxid oder Aluminiumoxynitrid sind aufgrund des geringen Brechungsindexes bei zugleich hervorragender Härte als effektiver Kratzschutz für die Display- und Glas-Hersteller äußerst interessant und werden beispielsweise in Smartphones oder Tablets eingesetzt. Solche keramischen Werkstoffe können beispielsweise durch Sputterverfahren abgeschieden werden. Sie lassen sich jedoch durch intrinsisch bedingte schlechte dynamische Abscheideraten ddr, die beispielsweise für Aluminiumdioxid mit einem rein keramischen Target im Bereich von 10 bis 20 nm·m/min liegen, und den enormen Energieeinträgen beim Prozessieren relativ unwirtschaftlich applizieren. Beim Sputtern eines keramischen Targets (d.h., bei Verwendung eines rein metallischen Targets, unter Reaktivgaseinlass), sind darüber hinaus auch nur kleine Beschichtungsflächen im Labormaßstab möglich. Die Abscheidung von Al2O3 auf größere Flächen kann im reaktiven Sputtermodus erfolgen, hier liegen die Raten mit < 50 nm·m/min etwas höher.
  • Hochrateprozesse, wie das Elektronenstrahlverdampfen, können bei einem hinreichend großen jährlichen Flächenbedarf als Vakuumabscheideprozess relativ wirtschaftlich werden. Jedoch tritt oft das Problem auf, dass Schichten wie Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid oder auch Siliziumoxid nicht angemessen dicht abgeschieden werden können, wodurch ihre optischen und mechanischen Eigenschaften unzureichend sind.
  • Das plasmagestützte Elektronenstrahlverdampfen wie der SAD-Prozess ist wie dargelegt in starkem Maße von Materialien abhängig und wird wesentlich durch den am Stromfluss beteiligten Ladungsträger beeinflusst. In Teplofisika vysokych temperature 24 (1986), Nr. 3 S. 422–429, benutzten Paranin et al. das Verhältnis Si,m der Ionenemissionsstromdichte ji zur Elektronenemissionsstromdichte je zur theoretischen Charakterisierung der Materialien mittels eines semiempirischen Verfahrens. Das Verhältnis Si,m in Abhängigkeit von Materialien sowie Temperaturen ist in 1 dargestellt. Entsprechend der Anwendbarkeit des Verdampfungsverfahrens für die dargestellten Materialien werden drei Bereiche unterschieden:
    • I: mit Si,m = ji/je >> 1,
    • II: mit Si,m = ji/je > 1, p > 10–100 Pa und
    • III: mit Si,m = ji/je < 1, p > 0,1–1 Pa.
  • Hochschmelzende Metalle wie Wolfram können einen hohen Elektronenemissionsstrom liefern. Bei niedrigschmelzenden Metallen, beispielsweise Aluminium, können bereits bei geringen Temperaturen hohe Ionenströme erzeugt werden. Für hochschmelzende Materialien mit dem Verhältnis Si,m < 1 ist es notwendig, dass die Temperatur des Verdampfungsmaterials (Kathodentemperatur) ausreichend hoch ist, um den thermischen Elektronenemissionsstrom zu liefern. Für Materialien mit Si,m > 1 ist der notwendige Dampfdruck p deutlich höher. Für Materialien mit Si,m >> 1 wird aus Gründen zu wenig emittierter Elektronen kein diffuser Bogen beobachtet. Solche Materialien mit dem Verhältnis Si,m > 1 wie Silizium oder Aluminium können in der Regel nicht durch den herkömmlichen SAD-Prozess abgeschieden werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien anzugeben, bei denen dichte Schichten mit hinreichenden optischen, mechanischen sowie strukturellen Eigenschaften durch einen SAD-Prozess mit höherer Abscheidungsrate abgeschieden werden können, insbesondere dichte Schichten aus niedrigschmelzenden Materialien bzw. Materialien, die durch Elektronenstrahl nur geringe Elektronenemission aufweisen. Verfahren und Vorrichtung sollen insbesondere für die Abscheidung von Aluminium und Silizium und deren Oxide anwendbar sein.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Zur Beschichtung eines Substrats in einer Prozesskammer, beispielsweise einer Vakuumkammer, wird ein Verdampfungsmaterial in einem Tiegel bereitgestellt und mittels eines Elektronenstrahls verdampft. Dabei wird der Elektronenstrahl mittels einer Elektronenstrahlquelle erzeugt und mittels elektrischer oder magnetischer Felder oder einer Kombination davon abgelenkt und direkt auf eine Verdampfungsstelle auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials gerichtet, wo sich bei ausreichender Erwärmung des Verdampfungsmaterials die Dampfquelle ausbildet.
  • Um den SAD-Prozess aus niedrigschmelzenden Materialien oder solchen Materialien, deren Verhältnis Si,m größer als 1 sind und gemäß 1 im Übergangsbereich zu Werten von Si,m >> 1 liegen, zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß im Verlauf der Einwirkung des Elektronenstrahls ein zusätzlicher Energieeintrag auf die Verdampfungsstelle gerichtet, wodurch die Verdampfungsstelle zumindest zeitweise gleichzeitig dem Elektronenstrahl und dem zusätzlichen Energieeintrag ausgesetzt wird. Dadurch können ausreichende Elektronen aus dem Verdampfungsmaterial herausgelöst werden. Aufgrund der erhöhten Elektronenemission ändert sich die Kurve in 1 für das betreffende Material und spring bei der betreffenden Temperatur zu niedrigeren Werten von Si,m, so dass diese im Bereich II gemäß 1 liegen können. Damit ist es möglich, neben Silizium und Aluminium auch andere Materialien wie beispielsweise Chrom, Kupfer, Eisen und Magnesium effektiv und mit den verbesserten Schichteigenschaften abzuscheiden.
  • Die Höhe des erforderlichen Energieeintrags und damit die erforderliche Wellenlänge hängen primär vom Verdampfungsmaterial ab und sind durch Versuche zu ermitteln. Mithilfe des Energieeintrags werden aufgrund des äußeren photoelektrischen Effekts aus den Atomen, Valenzband oder Leitungsband des Verdampfungsgutmaterials Elektronen gelöst, indem ein Photon absorbiert wird. Dabei muss die Energie des Lichtquants mindestens so groß sein wie die Austrittsarbeit des Elektrons bzw. die Bindungsenergie mit der Austrittsarbeit. Ist sie größer, steht der Überschuss dem Elektron als kinetische Energie zur Verfügung.
  • Der Elektronenstrahl und der zusätzliche Energieeintrag erwärmen das Verdampfungsmaterial gleichzeitig. Bei hinreichend hohen Energien verlassen neben den Atomen auch Sekundärelektronen das Verdampfungsmaterial. Durch Anwesenheit einer Elektrodenanordnung mit zumindest zwei Elektroden werden die durch den energiereichen Elektronenstrahl und den Energieeintrag erzeugten Elektronen beschleunigt. Eine Elektrode wird als Anode bevorzugt auf ein positives Potential gelegt und in der Verdampfungszone so angeordnet, dass auf dem Weg der Elektronen in Richtung der Anode möglichst viele Stöße zwischen Elektronen und Dampfteilchen oder auch Reaktivgasteilchen erfolgen können. Dadurch wird ein Plasma unter Bildung eines diffusen Lichtbogens unmittelbar über der Oberfläche des Verdampfungsmaterials erzeugt. Diese vom Plasma angeregten und ionisierten Teilchen ermöglichen die Abscheidung von dichten Schichten mit besseren mechanischen, optischen sowie strukturellen Eigenschaften.
  • Zum Erzeugen eines diffusen Lichtbogens bzw. Plasmas werden bevorzugt der Tiegel als Kathode und die in der Verdampfungszone angeordnete Elektrode als Anode geschaltet. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Kathode und Anode brennt der Lichtbogen in dem durch Elektronenstrahl und Energieeintrag erzeugten Dampf. Zur Vermeidung oder Beseitigung unerwünschter Ablagerungen und elektrischer Ladungen an der Anode wird die Elektrode bevorzugt drehbar ausgebildet.
  • In der Regel, wird die Spannung bzw. Potentialdifferenz der Elektrodenanordnung so gewählt, dass der Ionisierungsquerschnitt maximal wird. der Ionisierungswahrscheinlichkeit im Dampf entspricht dem Wirkungsquerschnitt für den Stoß zwischen hochenergetischen Strahlelektronen und Dampfteilchen und damit.
  • In 2 ist der Ionisierungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Elektronenenergie bei der Elektronenstoß-Ionisation dargestellt. Der Ionisierungsquerschnitt variiert stark bei der Änderung der Energie der Stoßelektronen. Bis etwa 20eV ist der Ionisierungsquerschnitt noch sehr klein. Bei Erhöhung der Elektronenenergie wird eine deutliche Steigerung des Ionisierungsquerschnitts beobachtet, bis bei etwa 70eV ein Maximum erreicht wird. Beim maximalen Ionisierungsquerschnitt kann ein sehr hoher Ionisierungsgrad des erzeugten Dampfs oder der Dampfwolke mit einem hohen Anteil von ionisierten Teilchen erreicht werden. Damit können sehr dichte Schichten mit besseren mechanischen und optischen Eigenschaften abgeschieden werden.
  • Bevorzugt liegt die Wellenlänge des Energieeintrags im Ultraviolett (UV) und/oder sichtbaren und/oder Infrarot (IR) Bereich. Je nach Verdampfungsmaterial wird der Energieeintrag mit einer Wellenlänge verwendet, welche im Bereich von 200 nm (Fernes UV) bis 1 mm (Fernes Infrarot) liegt. Beispielsweise bei Verdampfung von Aluminium mit einer Austrittsarbeit von 4,2 eV beträgt die hierfür notwendige Wellenlänge ca. 300 nm, welche durch die Formel λ = c·h / E (mit λ als Wellenlänge, h als Plancksches Wirkungsquantum, c als Lichtgeschwindigkeit und E als Energie) berechnet wird. Je kleiner die Wellenlänge desto wirksamer ist das Herauslösen der Elektronen aus dem Verdampfungsmaterial.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Energieeintrag impulsartig betrieben, um höhere Energiedichten zu erzielen. Dabei kann, in Abhängigkeit vom Verdampfungsmaterial, ein hinreichend hoher Energieimpuls erfolgen, um das Plasma zu zünden und den Prozess in Gang zu setze. Alternativ werden eine Vielzahl von hohen Energieimpulsen auf die Verdampfungsstelle gerichtet, um fortlaufend die für das Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas erforderliche Menge von Sekundärelektronen freizusetzen. Alternativ kann dafür auch ein kontinuierlicher Energieeintrag genutzt werden.
  • Der Energieeintrag kann mittels eines Lasers erzeugt werden. Dieser unterstützt einen punktuellen Energieeintrag und stellt definierte Wellenlängen zur Verfügung. Beispielsweise bei Verdampfung von Aluminium kann der Energieeintrag durch einen oder mehrere Excimerlaser erzeugt werden. Excimerlaser können Laserstrahl im ultravioletten Wellenlängenbereich erzeugen und werden gepulst betrieben. Zur Verdampfung von Aluminium können beispielsweise XeCl-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 308 nm oder KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248,35 nm verwendet werden. Da durch den Elektronenstrahl bereits hohe Energien in das Verdampfungsmaterial eingetragen werden, sind auch konventionelle Festkörperlaser mit größeren Wellenlängen anwendbar, beispielsweise Nd:YAG Laser, welche den Laserstrahl im Infrarotbereich emittieren. Solche Laser können als Dauerlaser kontinuierlich oder als gepulste Laser gepulst betrieben werden.
  • Alternativ kann der Energieeintrag mithilfe einer RTP-Einheit (Rapid Thermal Processing) durchgeführt werden. Mittels RTP-Behandlung sind gleichzeitig große Flächen zu erwärmen und es kann ein kontinuierliches Spektrum bereitgestellt werden, so dass die zur Ausführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung ohne aufwendige Modifikation für verschiedene Verdampfungsmaterialien verwendbar ist. Typischerweise sind sogenannte RTP-Verfahren zum Energieeintrag mittels Hochenergielampen, bei denen besonders hohe Temperaturanstiegs- bzw. -abkühlungsraten erreicht werden können. Als Hochenergielampen werden beispielsweise Halogenlampen oder Blitzlampen zum Einsatz gebracht. Bevorzugt wird der Energieeintrag durch Blitzlampen erzeugt, die sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden können. Bei, zumindest für die RTP-Strahlung, transparenten Substraten und Beschichtungen kann die Strahlungsquelle zur RTP-Behandlung vor oder auch hinter dem Substrat, jeweils bezogen auf die Dampfquelle des Beschichtungsmaterials, angeordnet werden, um das beschriebene Verfahren zu realisieren.
  • Vorteilhaft kann an das zu beschichtende Substrat eine negative Bias-Spannung angelegt werden, sodass die Energie der positiv ionisierten Teilchen zusätzlich erhöht wird und damit die ionisierten Teilchen zum Substrat beschleunigt werden.
  • Aufgrund der Bereitstellung der Elektronen durch den zusätzlichen Energieeintrag erhöht sich die Elektronenemissionsstromdichte. Wird ein bestimmtes Verhältnis Si,m zwischen Ionenemissionsstromdichte und Elektronenemissionsstromdichte erreicht, d.h. der Kurve in 1 verschiebt sich durch den Energieeintrag nach unten, bis das Verhältnis Si,m kleiner als 1 erreicht wird, kann es zur Ausbildung eines diffusen Lichtbogens kommen. Durch den zu erwartenden hohen Grad an Ionen, kann ein sehr effizienter Verdampfungsprozess, auch reaktiver Verdampfungsprozess bereitgestellt werden, der beispielsweise eine wirtschaftliche Abscheidung von Aluminium, Silizium, Aluminium-/Silizium-Oxid, Aluminium-/Silizium-Nitrid, Aluminium-/Silizium-Oxinitrid oder Aluminium-/Silizium-Carbid ermöglicht. Für eine reaktive Beschichtung mittels Elektronenstrahlverdampfung wird aufgrund der Dampfdruckverteilung über dem Tiegel bekanntermaßen Reaktivgas in der Nähe des Substrats eingelassen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mittels Elektronenstrahl in einer Prozesskammer umfasst einen Tiegel zum Bereitstellen eines Verdampfungsmaterials und eine Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls. Dabei ist der Elektronenstrahl auf eine Verdampfungsstelle gerichtet, welche sich auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials im Tiegel befindet. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines Plasmas und eine Energiequelle zum Erzeugen eines Energieeintrags, welcher auch auf die Verdampfungsstelle gerichtet ist.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
  • 1 ein Verhältnis der Ionenemissionsstromdichte zur Elektronenemissionsstromdichte in Abhängigkeit von Materialien sowie Temperaturen,
  • 2 einen Ionisierungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Elektronenenergie bei der Elektronenstoß-Ionisation,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Vakuumkammer zum Elektronenstrahlverdampfen mittels eines zusätzlichen Lasers, und
  • 4 eine schematische Darstellung einer Vakuumkammer zum Elektronenstrahlverdampfen mittels einer zusätzlichen RTP-Einheit.
  • In 3 ist eine Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien zur Beschichtung eines Substrats in einer Vakuumkammer dargestellt. Beispielsweise wird ein bandförmiges Substrat 1 mittels eines nicht dargestellten Transportsystems durch die Vakuumkammer 2 und an einem Tiegel 3 vorbei bewegt. Der Tiegel 3 befindet sich unterhalb des Substrats 1. In dem Tiegel 3 wird ein Verdampfungsmaterial 4 bereitgestellt. Beispielsweise wird ein niedrigschmelzendes Metall, wie z.B. Aluminium, als Verdampfungsmaterial verwendet. Zur Verdampfung wird das Verdampfungsmaterial 4 durch einen Elektronenstrahl 5 erhitzt, welcher mittels einer Elektronenstrahlquelle 6 erzeugt wird. Der Elektronenstrahl 5 wird von einer nicht dargestellten Ablenkeinheit derart abgelenkt, dass er auf die Oberfläche des Verdampfungsmaterials 4 tritt. Am Auftreffort des Elektronenstrahls 6, der sogenannte Verdampfungsstelle 7, wird das Verdampfungsmaterial erwärmt und eine Dampfquelle ausgebildet. Von der Dampfquelle aufsteigend bildet sich eine Dampfwolke 8 zum Substrat 1 hin aus.
  • Der Tiegel 3 ist auf Kathodenpotential gesetzt. In unmittelbarer Nähe des Tiegels 3 befindet sich eine Elektrode 9, die als drehbare Anode auf einem, relativ zum Tiegel 3, positiven Potential liegt. Mit der drehbaren Anode kann unerwünschte elektrische Ladung an der Anode vermieden werden und die Potentialdifferenz zwischen Elektrode 9 und Tiegel 3 konstant gehalten werden.
  • Um die Elektronenemission aus dem Verdampfungsmaterial zu erhöhen, wird ein Laser 10 als zusätzliche Energiequelle 10 verwendet, welcher als Energieeintrag 11 einen Laserstrahl 11 aussendet. Der Laserstrahl 11 wird aus dem Laser 10 emittiert und mit einer Linse 12 fokussiert und gelangt durch ein Eintrittsfenster 13 zur Verdampfungsstelle 4. Durch Elektronenstrahl 5 und Laserstrahl 11 wird das Verdampfungsmaterial 4 an der Verdampfungsstelle 7 weiter erhitzt und damit werden ausreichende Elektronen aus dem Verdampfungsmaterial herausgelöst. Infolge des positiven Potentials an der Anode 11, werden die Elektronen in Richtung der Anode 11 beschleunigt. Durch Stöße zwischen hochenergetischen Strahlelektronen und Dampfteilchen wird ein Plasma 14 erzeugt, das mit einem diffusen Bogen auf die Oberfläche des Verdampfungsmaterials brennt.
  • Zur reaktiven Beschichtung ist ein Gaseinlass 15 in der Nähe des Substrats 1 angeordnet, welcher zur Zuführung von Reaktivgas, z. B. Sauerstoff oder Stickstoff dient. Die angeregten und ionisierten Dampfteilchen aus dem Verdampfungsmaterial reagieren mit dem über die Substratbreite verteilten Reaktivgas, so dass sich auf dem Substrat 1 das Reaktionsprodukt als Schicht ausbildet. Mit diesem Verfahren können beispielsweise dichte Schichten wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, oder Aluminiumoxynitrid auf dem Substrat abgeschieden werden.
  • In 4 ist eine Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Um Verdampfung aus niedrigschmelzenden Materialien durch SAD-Prozess zu ermöglichen, wird neben den Elektronenstrahl ein Energieeintrag bereitgestellt. Anstelle eines Lasers wird hierbei der Energieeintrag 16 unter Verwendung einer RTP-Einheit 17 erzeugt. Beispielsweise kann eine Blitzlampe oder mehrere Blitzlampen als RTP-Einheit 17 eingesetzt werden, welche Lichtstrahl 16 im UV-Bereich emittiert.
  • Das Verfahren mit RTP-Einheit eignet sich insbesondere für Beschichtung auf transparenten Substraten und für Beschichtungen, welche für die Strahlung der RTP-Einheit transparenten sind. Beispielsweise kann auf dem transparenten Substrat Aluminiumoxid oder Aluminiumoxinitrid appliziert sein oder appliziert werden. Beide Materialien sind im sichtbaren Bereich transparent, so dass durch das beschichtete Substrat ein ausreichend hoher Energieeintrag in das Target erfolgen kann. Um möglichst viel Lichtstrahl auf die Verdampfungsstelle zu gelangen wird eine Substrataufnahme beispielsweise Carrier verwendet, welche zu beiden Seiten (oben/unten) offen ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Substrat
    2
    Vakuumkammer
    3
    Tiegel
    4
    Verdampfungsmaterial
    5
    Elektronenstrahl
    6
    Elektronenstrahlquelle
    7
    Verdampfungsstelle
    8
    Dampfwolke
    9
    Elektrode, Anode
    10
    Energiequelle, Laser
    11
    Energieeintrag, Laserstrahl
    12
    Linse
    13
    Eintrittsfenster
    14
    Plasma
    15
    Gaseinlass
    16
    Energieeintrag, Lichtstrahl
    17
    Energiequelle, RTP-Einheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Teplofisika vysokych temperature 24 (1986), Nr. 3 S. 422–429 [0010]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Verdampfen von Materialien, bei dem ein Verdampfungsmaterial (4) in einem Tiegel (3) zur Beschichtung eines Substrats (1) mittels Elektronenstrahlverdampfung verdampft wird, wobei ein Elektronenstrahl (5) mittels einer Elektronenstrahlquelle (6) erzeugt und zur Ausbildung einer Dampfquelle auf eine Verdampfungsstelle (7) auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials (4) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf der Einwirkung des Elektronenstrahls (5) ein solcher Energieeintrag (11, 16) von einer zusätzlichen Energiequelle (10, 17) in die Verdampfungsstelle (7) erfolgt, dass mittels der aus dem Verdampfungsmaterial emittierten Sekundärelektronen ein Plasma (14) zwischen zwei Elektroden (3, 9) und unmittelbar über der Oberfläche des Verdampfungsmaterials (4) erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag (11, 16) mit einer Wellenlänge im Ultraviolett und/oder sichtbaren und/oder Infrarot Bereich erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag (11, 16) impulsartig betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag (11, 16) mittels eines Lasers (10) erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag (11, 16) mithilfe einer RTP-Einheit (Rapid Thermal Processing) (17) durchgeführt wird.
  6. Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien zur Beschichtung eines Substrats, umfassend einen Tiegel (3) zum Bereitstellen eines Verdampfungsmaterials (4) und eine Elektronenstrahlquelle (6) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (5), welcher auf eine Verdampfungsstelle (7) im Tiegels (3) gerichtet ist, und eine Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines Plasmas (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zusätzliche Energiequelle (10, 17) zum Erzeugen eines auf die Verdampfungsstelle (7) gerichteten Energieeintrags (11, 16) aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zusätzliche Energiequelle (10, 17) Strahlung einer Wellenlänge im Ultraviolett und/oder sichtbaren und/oder Infrarot Bereich erzeugbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zusätzlichen Energiequelle (10, 17) ein impulsartiger Energieeintrag (11, 16) ausführbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Energiequelle (10, 17) zumindest einen Laser (10) oder eine RTP-Einheit (17) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (9) in unmittelbarer Nähe des Tiegels (3) angeordnet ist.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4336680C2 (de) * 1993-10-27 1998-05-14 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen
US5849371A (en) * 1996-07-22 1998-12-15 Beesley; Dwayne Laser and laser-assisted free electron beam deposition apparatus and method
DE102009037326A1 (de) * 2009-08-14 2011-02-17 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur langzeitstabilen plasmaaktivierten Vakuumbedampfung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4336680C2 (de) * 1993-10-27 1998-05-14 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen
US5849371A (en) * 1996-07-22 1998-12-15 Beesley; Dwayne Laser and laser-assisted free electron beam deposition apparatus and method
DE102009037326A1 (de) * 2009-08-14 2011-02-17 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur langzeitstabilen plasmaaktivierten Vakuumbedampfung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Teplofisika vysokych temperature 24 (1986), Nr. 3 S. 422-429

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