DE102017106985A1

DE102017106985A1 - Vorrichtung zur elektronenunterstützten Beschichtung von Substraten sowie ein entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102017106985A1
Application number: DE102017106985.2A
Authority: DE
Inventors: Sigurd Schrader; Kostyantyn Grytsenko; Friedhelm Heinrich; Viachaslau Ksianzou
Original assignee: TECHNISCHE HOCHSCHULE WILDAU (FH); Technische Hochschule Wildau Fh
Current assignee: TECHNISCHE HOCHSCHULE WILDAU (FH); Technische Hochschule Wildau Fh
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-04
Also published as: WO2018177898A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (100) zur elektronenunterstützten Beschichtung von Substraten (60) zur Verfügung gestellt, welche einen Vakuum-Rezipienten (90) umfasst, der zur Bereitstellung eines Vakuums (80) ausgebildet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung (100) mindestens ein Trägerelement (70), welches zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrates (60) ausgebildet ist sowie eine Materialquelle (50), insbesondere eine Verdampfer-Einheit zur Bereitstellung organischer Moleküle. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung (100) ferner eine Elektronenquelle (40) für die Freigabe von Elektronen (30) innerhalb des Vakuum-Rezipienten (90).
Ferner wird ein entsprechendes Verfahren zur elektronenunterstützten Beschichtung eines Substrates 60 vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektronenunterstützten Beschichtung von Substraten. Die Vorrichtung umfasst einen Vakuum-Rezipienten, welcher zur Bereitstellung eines Vakuums ausgebildet ist sowie mindestens ein Trägerelement, welches zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrates ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Materialquelle, insbesondere eine Verdampfer-Einheit zur Bereitstellung organischer Moleküle sowie eine Elektronenquelle.
Stand der Technik
Im Stand der Technik existiert eine Vielzahl an Verfahren für die Beschichtung von Substraten, welche darauf gerichtet sind, organische Moleküle von einer festen oder flüssigen Substanz ausgehend im Vakuum zu verdampfen. Dies geschieht meist durch Wärmezufuhr, welche beispielsweise durch direktes Heizen eines Tiegels oder durch das Erhitzen eines Heizdrahtes bewirkt werden kann. In manchen Verfahren wird eine Wärmezufuhr auch beispielsweise durch induktive Erwärmung eines Tiegels oder aber auch durch das Aufheizen eines Verdampfers mittels schneller Elektronen beziehungsweise mittels eines Elektronenstrahls gewährleistet. Die verdampften Materialien polymerisieren dann auf der Substratoberfläche und können so geschlossene Polymerfilme bilden. Dies wurde auch beim Sputtern von Polymertargets beobachtet. Bei dem Sputtern von Targets werden Atome aus einem Festkörper, dem Target, durch Beschuss mit energiereichen Ionen herausgelöst und gehen in die Gasphase über.
Allerdings weisen diese Verfahren oftmals eine optimierbare Abscheidungseffizienz auf, ist also die erreichbare Abscheidungsrate dieser Verfahren beziehungsweise die Qualität der erzeugten Schichten verbesserungswürdig.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur elektronenunterstützten Beschichtung von Substraten zur Verfügung gestellt, welche einen Vakuum-Rezipienten umfasst, der zur Bereitstellung eines Vakuums ausgebildet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens ein Trägerelement, welches zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrates ausgebildet ist sowie eine Materialquelle, inbesondere eine Verdampfer-Einheit, zur Bereitstellung organischer Moleküle, der Ausgangsmaterial kontinuierlich oder diskontinuierlich zuführbar ist. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner eine Elektronenquelle für die Freigabe von Elektronen, mittels welcher innerhalb des Vakuum-Rezipienten Elektronen bereitstellbar sind.
Es wurde festgestellt, dass sich abweichend von der im Stand der Technik üblichen Praxis eine Beschichtung, insbesondere eine Polymerbildung, also die Polymerisation eines Substrates, auch unter Hochvakuumbedingungen erreichen lässt. Überraschenderweise zeigte sich dabei, dass man die Abscheidungsrate der Polymere bei ansonsten konstant gehaltenen Bedingungen deutlich erhöhen kann, wenn bei der Erzeugung der reaktiven Spezies, welche für die Schichtbildung durch einen Polymerisationsvorgang notwendig sind, Elektronen zum Beispiel am Ort der Erzeugung dieser Spezies präsent sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also vorteilhaft die Beschichtung eines Substrates mit einer gegenüber dem Stand der Technik signifikant erhöhten Abscheidungsrate. Die Raten des Schichtauftrags sowie die verschiedenen Schichteigenschaften können dabei stark mit der Dichte und Energie der zur Verfügung gestellten Elektronen variieren. So wurde beispielsweise experimentell festgestellt, dass sich die Wachstumsrate einer sich bildenden Schicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) um einen Faktor von bis zu 10 erhöhen lässt, wenn die Erzeugung reaktiver Spezies unter Vakuum und in Gegenwart von Elektronen erfolgt. Zudem ändert sich die Morphologie der Schichten. Die in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Elektronenaktivierung erzeugten Polymerschichten sind amorph und über einen weiten Wellenlängenbereich transparent. Fehlt die Elektronenaktivierung, weisen die Schichten, abhängig von den Prozessbedingungen, eher eine wachsartige oder partiell kristalline Struktur auf, was sich in einer starken Streuung von Licht niederschlägt.
Bevorzugt sind die Elektronen für die Unterstützung des Beschichtungsprozesses bereitstellbar.
Bevorzugt handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten, welche einen Vakuum-Rezipienten aufweist, in dem elektronenaktivierte Moleküle unter Vakuumbedingungen auf das Substrat einwirken und/oder Moleküle auf dem Substrat aktiviert werden. Die Aktivierung kann dabei durch die Wechselwirkung von Elektronen mit den verdampften Molekülen in der Gasphase oder durch die Wechselwirkung mit den festen oder flüssigen zu verdampfenden Ausgangssubstanzen sowie durch Wechselwirkung mit dem Substrat erfolgen.
Bevorzugt erfolgt die Freigabe der Elektronen mittels eines Elektronenemitters, welcher mit einer Ziehspannung beaufschlagt wird. Die Elektronenquelle kann z. B. aus einer Glühkathode, einer Feldemissionskathode oder einem Plasma bestehen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes können die Elektronen auf Energien im Bereich von 0,1 eV bis einige 1000 eV beschleunigt werden. Auch die Richtung der Elektronen kann durch die Ausrichtung des elektrischen Feldes im Vakuumrezipienten beeinflusst werden. So können die Elektronen beispielsweise durch die verdampften Gasmoleküle in der Vakuumkammer oder auf die Oberfläche der zu verdampfenden Ausgangssubstanzen bzw. die Substratoberfläche geleitet werden. Alternativ erfolgt die Freigabe der Elektronen mittels der sogenannten Electron-Spray-Methode, bei der geladene Flüssigkeits-Tropfen im Vakuum verdampft und Elektronen auf die zu aktivierenden Spezies übertragen werden.
Bevorzugt umfasst der Vakuum-Rezipient eine Beschichtungskammer. Ferner bevorzugt ist der Vakuum-Rezipient dazu ausgebildet, ein Vakuum innerhalb der Beschichtungskammer zu erzeugen.
Vorzugsweise ist die Elektronenquelle dazu ausgebildet, die Elektronen in unmittelbarer Umgebung zu der Materialquelle bereitzustellen.
Bevorzugt können die Elektronen durch Anlegen einer Spannung auf Energien im Bereich 0,1 eV bis 10 keV beschleunigt werden.
Bevorzugt werden die Elektronen in Richtung auf das zu verdampfende Material beschleunigt.
Bevorzugt werden die Elektronen in Richtung auf das Substrat beschleunigt.
Bevorzugt werden die Elektronen in Richtung der durch die Materialquelle bereitgestellten organischen Moleküle beschleunigt.
Bevorzugt werden die Elektronen auf eine Oberfläche im Rezipienten beschleunigt und erzeugen Sekundärelektronen in der Umgebung des Auftreffortes.
Vorzugsweise basiert die Elektronenquelle auf einer Feldemissionskathode. Vorzugsweise umfasst die Elektronenquelle eine Feldemissionskathode.
In einer bevorzugten Ausführungsform basiert die Elektronenquelle auf einer Plasmaentladung. Bevorzugt erzeugt die Elektronenquelle Elektronen mittels einer Plasmaentladung.
Bevorzugt basiert die Plasmaentladung auf einer Hochfrequenzanregung. Bevorzugt wird die Plasmaentladung durch eine Hochfrequenzanregung bewirkt.
Ferner bevorzugt basiert die Plasmaentladung auf einer Mikrowellenanregung. Ferner bevorzugt wird die Plasmaentladung durch eine Mikrowellenanregung bewirkt.
Des Weiteren bevorzugt basiert die Plasmaentladung auf einer Gleichstromentladung. Des Weiteren bevorzugt wird die Plasmaentladung durch eine Gleichstromentladung bewirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner mindestens eine Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes. In einer derartigen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Elektronendichte und deren Dichteverteilung in dem Vakuum-Rezipienten gezielt beeinflusst werden. Es werden also bei den oben beschriebenen elektronenaktivierten Beschichtungsvorgängen vorteilhaft zusätzlich magnetische Felder, also B-Felder eingesetzt, um die Elektronendichten und deren Dichteverteilung im Vakuum-Rezipienten gezielt zu verändern und so den Prozess zu beeinflussen. Insbesondere kann beim Einsatz geeigneter Magnetfelder die Elektronendichte im Vakuum-Rezipienten erhöht werden, ohne dabei die Bedingungen der Elektronenerzeugung, also zum Beispiel die Stromstärke in einem Glühdraht oder die Hochfrequenz - beziehungsweise die Mikrowellenleistung zu verändern. Ferner lässt sich die lokale Dichteverteilung der Elektronen im Vakuum-Rezipienten durch die Magnetfeldkonfiguration im Vakuum-Rezipienten beeinflussen. Auch der Einfluss der Elektronen auf die Substratoberfläche oder das zu verdampfende Material kann beeinträchtigt werden.
Bevorzugt umfasst die mindestens eine Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes innerhalb des Vakuum-Rezipienten, mindestens einen Permanentmagneten.
Bevorzugt umfasst die Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes mindestens eine außerhalb des Vakuum-Rezipienten angeordnete Magnetfeldspule. Mit einer derartigen Magnetfeldspule lassen sich verschiedene Magnetfeldkonfigurationen innerhalb des Vakuum-Rezipienten erreichen.
Bevorzugt umfasst die Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes mindestens zwei außerhalb des Vakuum-Rezipienten angeordnete Magnetfeldspulen. Die Magnetfeldlinien des mittels solcher Magnetfeldspulen bereitgestellten Magnetfeldes verlaufen bevorzugt parallel zu den seitlichen Wänden des Vakuum-Rezipienten. Eine solche Magnetfeldanordnung stellt eine Magnetfeldanordnungen zur Erzeugung von Randfeldern dar. Die Wirkung der durch die Magnetfeldspulen hervorgerufenen Magnet- beziehungsweise B-Feldern+ (B - magnetische Flussdichte / magnetische Induktion) sind folgende: Die Elektronendiffusion senkrecht zu den B-Feldlinien ist begrenzt, so dass die Elektronenbewegung in dieser Richtung durch die Lorenzkraft eingeschränkt wird. Die Bewegung der Elektronen parallel zu den B-Feldlinien wird dagegen nicht beeinflusst. Dadurch werden bei ausreichend hohen B-Feldern die Elektronen im reduzierten Volumen gehalten. Elektronenverluste durch Rekombination an den Kammerwänden des Vakuum-Rezipienten werden so reduziert, wodurch die Elektronendichte im Vakuum-Rezipienten bei konstanter Elektronen-Produktionsrate ansteigt. Bei ausreichend starken Magnetfeldern und homogener Feldverteilung bleiben die Elektronen beziehungsweise die aus diesen gebildete Elektronenwolke idealerweise auf den ursprünglichen Durchmesser des Produktionsbereiches beschränkt, wobei sie sich parallel zu den B-Feldlinien ungehindert ausdehnt. Damit steigt die Stoßrate mit den Molekülen im reduzierten Volumen des Vakuum-Rezipienten. Gleichzeitig steigt die Stoßrate mit dem zu verdampfenden Material und der Substratoberfläche. Aus diesem Grund nimmt die Dichte der in der Gasphase und auf den Oberflächen daktivierten Moleküle zu. Der Elektronenfluss auf die Oberfläche des zu verdampfenden Ausgangsmaterials und/oder des Substrats nimmt ebenfalls zu. Dabei kann der Verlauf der Magnetfeldlinien durch die Dimensionierung der Magnetfeldspulen, durch eine Veränderung des Abstandes zwischen den Magnetfeldspulen sowie durch eine Veränderung der Stromstärken der in den Spulen fließenden Ströme beeinflusst werden.
Besonders bevorzugt sind die Magnetfeldspulen in der sogenannten Helmholtz-Konfiguration angeordnet. Besonders bevorzugt entspricht also der Spulenradius der Magnetfeldspulen dem Abstand zwischen den Magnetfeldspulen. Fließen durch die beiden Magnetfeldspulen identische Ströme entsteht dann ein weitgehend homogenes Feld zwischen den Magnetfeldspulen. Durch Variation des Spulenradius, des Abstandes zwischen den Magnetfeldspulen sowie der Ströme durch die Magnetfeldspulen lassen sich davon abweichende Feldverteilungen erreichen.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist die Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes dazu ausgebildet, ein Magnetfeld bereitzustellen, dessen Magnetfeldlinien parallel zu einer gedachten Gerade verlaufen, welche das Trägerelement sowie die Materialquelle innerhalb des Vakuum-Rezipienten auf kürzestem Wege miteinander verbindet. Bei dieser Magnetfeldkonfiguration handelt es sich um eine Volumenfeldanordnung, bei welcher das Magnetfeld vorteilhaft große Teile des Volumens oder gar das gesamte Volumen des Vakuum-Rezipienten durchdringt. Derartige Konfigurationen sind beispielsweise aus der Plasmatechnik bekannt.
Vorzugsweise ist die Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes dazu ausgebildet, ein Magnetfeld bereitzustellen, dessen Magnetfeldlinien parallel zur Oberfläche eines von dem Trägerelement aufgenommenen Substrates verlaufen. Bei einer derartigen Ausführung lassen sich Magnetfelder mit sogenannten Randfeldanordnungen innerhalb des Vakuum-Rezipienten erzeugen, bei welchen das Magnetfeld nur in der Nähe der Wände des Vakuum-Rezipienten oder in der Nähe anderer Oberflächen, insbesondere in der Nähe der Substratoberfläche oder der Oberfläche des zu verdampfenden Materials in der Vorrichtung wirkt.
Bevorzugt wirken die Elektronen am Ort der Erzeugung und/oder der Zuführung der Moleküle.
Vorzugsweise wirken die Elektronen am Ort des zu beschichtenden Substrates und/oder an einem anderen Ort im Vakuum-Rezipienten auf die Moleküle ein.
Bevorzugt werden die Elektronen durch eine Glühkathode erzeugt, ist also die Elektronenquelle eine Glühkathode. Vorzugsweise werden die Elektronen durch Glühemissionskathoden erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Elektronen durch Elektronenspray, also durch Verdampfen geladener Tröpfchen im Vakuum-Rezipienten erzeugt. Bevorzugt ist die Elektronenquelle also zur Freigabe eines Elektronensprays ausgebildet.
Vorzugsweise werden die Elektronen durch Photoemission von Elektronen erzeugt, ist also die Elektronenquelle zur Photoemission in der Lage.
Bevorzugt werden die Elektronen durch Sekundärelektronen gebildet, welche durch schnelle Elektronen, Elektronenstrahlen und/oder lonenstrahlen erzeugt werden.
Vorzugsweise werden zur Steuerung der Elektronendichteverteilung im Vakuum-Rezipienten und/oder zur Steuerung der Elektronenflüsse auf ein vom Trägerelement aufgenommenes Substrat Magnetfelder verwendet.
Bevorzugt werden zur Erzeugung der Magnetfelder außerhalb des Vakuum-Rezipienten angebrachte Magnetfeldspulen verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden zur Erzeugung der Magnetfelder innerhalb des Vakuum-Rezipienten angebrachte Magnetfeldspulen verwendet.
Bevorzugt sind die Magnetfeldspulen in Helmholtz-Konfiguration angeordnet.
Vorzugsweise sind die Magnetfeldspulen so angeordnet, dass die Feldlinien überwiegend parallel zu einem vom Trägerelement aufgenommenen Substrat verlaufen.
Bevorzugt sind die Magnetfeldspulen so angeordnet, dass die Magnetfeldlinien überwiegend senkrecht zu einem vom Trägerelement aufgenommenen Substrat verlaufen.
Bevorzugt sind die Magnetfeldspulen so angeordnet, dass die Feldlinien-Komponenten des bereitstellbaren Magnetfeldes senkrecht zu einem vom Trägerelement aufgenommenen Substrat und/oder parallel zum Substrat ausgerichtet sind.
Vorzugsweise werden die Stärke und/oder die Richtung des Magnetfeldes durch eine Variation des Stromflusses durch die Magnetfeldspulen verändert.
Bevorzugt werden zur Erzeugung von Randmagnetfeldern außerhalb des Vakuum-Rezipienten angebrachte Permanentmagnete verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Permanentmagnete in Linien alternierender Pol-Folge entlang des Vakuum-Rezipienten angebracht.
Bevorzugt sind die Abstände zwischen den Linien variabel.
Vorzugsweise wird durch Variation der Abstände zwischen den Linien die Elektronendichte im Vakuum-Rezipienten beeinflusst.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform verlaufen die Permanentmagnetlinien parallel zu den Wänden des Vakuum-Rezipienten.
In einer ferner bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform verlaufen die Permanentmagnetlinien parallel zur Achse des Vakuum-Rezipienten.
Des Weiteren bevorzugt umschließen die Permanentmagnete den Vakuum-Rezipienten konzentrisch in alternierender Pol-Folge.
Bevorzugt sind die Abstände zwischen den Polen variabel.
Vorzugsweise wird durch Variation der Abstände zwischen den Polen die Elektronendichte im Vakuum-Rezipienten beeinflusst.
Bevorzugt verlaufen die Magnetpole senkrecht zur Achse des Vakuum-Rezipienten.
Bevorzugt werden die Elektronen durch Feldemission erzeugt.
Vorzugsweise werden die Elektronen durch eine Plasmaentladung erzeugt.
Bevorzugt basiert die Plasmaentladung auf Gleichstrom.
Vorzugsweise basiert die Plasmaentladung auf Hochfrequenzanregung.
Bevorzugt basiert die Plasmaentladung auf Mikrowellenanregung.
Vorzugsweise basiert die Mikrowellenanregung auf Elektron-Cyclotron-Resonanz.
Bevorzugt werden die Elektronen in einem elektrischen Feld beschleunigt und erzeugen durch Wechselwirkung mit den Oberflächen im Vakuum-Rezipienten und/oder mit eigens in den Vakuum-Rezipienten eingebrachten Oberflächen Sekundärelektronen.
Vorzugsweise treten die erzeugten Sekundärelektronen mit den Polymer-bildenden Verbindungen in Wechselwirkung und werden diese zur Bildung linearer, verzweigter oder vernetzter Polymere aktiviert.
Bevorzugt wirkt simultan zur Aktivierung der Polymer-bildenden molekularen Spezies durch Elektronen ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld auf diese molekularen Einheiten beziehungsweise auf die molekularen Spezies ein, wodurch genügend Leistung zur Verfügung gestellt wird, um die chemische Struktur der gebildeten Polymerschichten zu beeinflussen.
Vorzugsweise oszilliert das simultan einwirkende, hochfrequente elektromagnetische Feld mit Frequenzen im Bereich 0,01 MHz bis 50 THz.
Bevorzugt handelt es sich bei der Materialquelle um eine Verdampfer-Einheit zur Bereitstellung organischer Moleküle.
Ferner wird ein Verfahren zur elektronenunterstützten Beschichtung eines Substrates zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen eines zu beschichtenden Substrates in einem Vakuum. Erzeugen und Bereitstellen von Elektronen innerhalb des Vakuums. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bereitstellens, insbesondere des Verdampfens von für die Beschichtung zu verwendenden organischen Molekülen derart, dass die bereitgestellten, insbesondere verdampften organischen Moleküle durch die Elektronen aktiviert werden und auf das Substrat einwirken. Bei einem derartigen Verfahren kommen die zur Vorrichtung erwähnten Vorteile im Rahmen der Ausführung des Verfahrens zum Tragen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bereitstellung der Elektronen am Ort des zu beschichtenden Substrates und/oder an dem Ort innerhalb des Vakuums, an welchem die organischen Moleküle verdampft und/oder dem Vakuum zugeführt werden. In einer derartigen Ausführung lässt sich die Abscheidungsrate gegenüber den Beschichtungsverfahren des Standes der Technik sowie die Schichtqualität beziehungsweise die sogenannte Pinhole-Freiheit signifikant erhöhen.
Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bereitstellens mindestens eines Magnetfeldes innerhalb des Vakuums zur Beeinflussung der Elektronendichte der Elektronen. Ferner bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bereitstellens mindestens eines Magnetfeldes innerhalb des Vakuums zur Beeinflussung der Elektronendichte der freigesetzten Elektronen. In einer derartigen Ausführungsform des Verfahrens kann die Art der Beschichtung mittels des Magnetfeldes genau eingestellt werden.
Vorzugsweise verlaufen die Magnetfeldlinien des im Schritt des Bereitstellens mindestens eines Magnetfeldes bereitgestellten Magnetfeldes parallel oder senkrecht zu der Oberfläche des bereitgestellten, zu beschichtenden Substrates. In einer derartigen Ausführung ist also eine Magnetfeldanordnung erzeugbar, bei der einzelne Magnetfelder beziehungsweise die Magnetfeldlinien parallel zur Oberfläche des Substrats verlaufen. In diesem Fall wird die Elektronenbewegung in Richtung auf das Substrat behindert. Durch Variation des Magnetfeldes kann so der Elektronenstrom auf die Oberfläche kontinuierlich variiert werden. Bei geeignet hohen Magnetfeldern kann der Elektronenstrom auf das Substrat auf diese Weite komplett unterdrückt werden, so dass nur neutrale Moleküle beziehungsweise in der Gasphase aktivierte Moleküle die Oberfläche des Substrates erreichen.
Bevorzugt umfasst das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt zur Aktivierung des Substrates. Bevorzugt werden im Rahmen eines solchen weiteren Schritts chemische Bindungen des Substrates aufgebrochen, ein molekularer und/oder atomarer Elektronenübertrag angeregt und/oder eine elektronische Anregung vorgenommen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1: Erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
2: Zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ersten Magnetfeldanordnung
3: Drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zweiten Magnetfeldanordnung
4: Viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer dritten Magnetfeldanordnung
5: Magnetfeldanordnung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt, welche rein beispielhaft der Abscheidung sogenannter PTFE-Schichten, also von Polytetrafluorethylen-Schichten, auf einem Substrat 60 dient. Es können aber auch erfindungsgemäße Vorrichtungen 100 realisiert werden, welche der Abscheidung beliebiger anderer Schichten auf einem Substrat 60 dienen. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Vakuum-Rezipienten 90, welcher zur Bereitstellung eines Vakuums 80 ausgebildet ist, in dessen Innenraum sich also ein Vakuum 80, insbesondere ein Hochvakuum erzeugen lässt. In diesem ersten Ausführungsbeispiel weist der Vakuum-Rezipient 90 rein beispielhaft eine zylindrische Symmetrie auf. Es können allerdings auch erfindungsgemäße Vorrichtungen 100 mit Vakuum-Rezipienten 90 ausgeführt werden, welche eine andere Geometrie als die hier beschriebene beziehungsweise dargestellte aufweisen, beispielsweise erfindungsgemäße Vorrichtungen 100 mit eckigen oder ovalen Vakuum-Rezipienten 90.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner ein Trägerelement 70, welches zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrates 60 ausgebildet und innerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 angeordnet ist. In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird das zu beschichtende Substrat 60 von dem Trägerelement 70 in dem Vakuum-Rezipienten 90 gehalten. Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Materialquelle 50 zur Bereitstellung organischer Moleküle, welche die organischen Moleküle in fester oder gasförmiger Form bereitstellt sowie eine Heizquelle (nicht dargestellt) umfasst, mittels welcher ggf. eine Verdampfung festen oder flüssigen organischen Materials bewirkt wird. Bei der Heizquelle handelt es sich in diesem ersten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft um einen Heizdraht. Es kann aber auch, wie weiter oben erwähnt, eine beliebige andere Heizquelle zum Einsatz kommen.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 100 eine Elektronenquelle 40 für die Freigabe von Elektronen, mittels welcher innerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 Elektronen 30, also Elektronen 30 mit Energien im Bereich von 0,1 eV bis 10 keV erzeugbar sind. In 1 ist die Elektronenquelle 40 sowie die über einen dicken Pfeil gekennzeichnete Erzeugung der Elektronen 30 lediglich schematisch dargestellt. In diesem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Elektronenquelle 40 rein beispielhaft um eine Glühkathode, genauer um einen Glühdraht 40, welcher im Zentrum des Vakuum-Rezipienten 90 angeordnet ist. Es können aber auch beliebige andere Elektronenquellen 40 zum Einsatz kommen. Die aus der Materialquelle verdampften organischen Moleküle durchqueren die aus der Elektronenquelle 40 emittierten Elektronen 30. Die verdampften Moleküle breiten sich im Vakuum-Rezipienten 90 diffusiv aus und schlagen sich auf den umliegenden Oberflächen, insbesondere auf der Oberfläche des Substrates 60 nieder. Die Elektronen verteilen sich ohne die Anwesenheit elektrischer oder magnetischer Felder durch Raumladungs- und Diffusionseffekte, welche die Elektronen im Vakuum-Rezipienten 90 antreiben. Genauer ausgedrückt treiben die Coulomb-Abstoßung und Diffusionseffekte die Elektronen 30 auseinander, so dass die Elektronendichte mit dem Abstand vom Ort der Elektronenerzeugung an der Elektronenquelle 40 stark abnimmt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit einer ersten Magnetfeldanordnung dargestellt. Das zweite, in 2 dargestellte, Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen identisch zu dem ersten, in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, so dass in 2 gleich bezeichnete Komponenten denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen und das zuvor zu diesen Komponenten Gesagte auch für die Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels Geltung hat. Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere darin, dass die Vorrichtung 100 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Einheit zur Bereitstellung eines Magnetfeldes 20 aufweist, welche insgesamt 2 Magnetfeldspulen 15 umfasst. Die Magnetfeldspulen 15 sind außerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 angeordnet, wobei die von den Wicklungen eingeschlossenen Flächen dieser Magnetfeldspulen 15 senkrecht zur Höhe h des Vakuum-Rezipienten 90 beziehungsweise orthogonal zu einer gedachten, in 2 gestrichelt dargestellten Gerade 10 verlaufen, welche das Trägerelement 70 sowie die Materialquelle 50, welche vorliegend rein beispielhaft als eine Verdampfer-Einheit ausgeführt ist, innerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 auf kürzestem Wege miteinander verbindet. Im Betrieb der Magnetfeldspulen 15 stellen selbige ein Magnetfeld 21 bereit, dessen Magnetfeldlinien parallel zu der gedachten Gerade 10 verlaufen. Dadurch wird eine Elektronendiffusion senkrecht zu den B-Feldlinien, also den Magnetfeldlinien des bereitgestellten Magnetfeldes 21 begrenzt, so dass die Elektronenbewegung in dieser Richtung durch die Lorenzkraft eingeschränkt wird. Die Bewegung der Elektronen parallel zu den Magnetfeldlinien wird dagegen nicht beeinflusst. Dadurch werden bei ausreichend hohen Magnetfeldern 21 die Elektronen in einem reduzierten Volumen 85 des Vakuum-Rezipienten 90 gehalten. Elektronenverluste durch Rekombination an den Wänden des Vakuum-Rezipienten 90 können so reduziert werden, wodurch die Elektronendichte im Vakuum-Rezipienten 90 bei konstanter Elektronen-Produktionsrate durch die Elektronenquelle 40 ansteigt. Bei ausreichend starken Magnetfeldern 21 und homogener Feldverteilung bleiben die Elektronen 30, beziehungsweise die aus diesen gebildete Elektronenwolke idealerweise auf den ursprünglichen Durchmesser des Produktionsbereiches beschränkt, wobei sie sich parallel zu den Magnetfeldlinien ungehindert ausdehnt. Damit steigt die Stoßrate mit den Molekülen in dem reduzierten Volumen 85, das heißt die Dichte der in der Gasphase aktivierten Moleküle nimmt zu. Der Elektronenfluss auf die Oberfläche nimmt ebenfalls zu. Der Durchmesser d der Wicklungen der Magnetfeldspulen 15 stimmt in diesem zweiten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft mit dem Durchmesser des zylindrischen Vakuum-Rezipienten 90 überein.
Der Verlauf der Magnetfeldlinien des bereitstellbaren Magnetfeldes 21 kann jedoch durch eine andere Dimensionierung der Magnetfeldspulen 15, durch eine Änderung des Abstandes zwischen den Magnetfeldspulen 15 sowie durch eine Änderung der Stromstärken I₁ und I₂ der in den Magnetfeldspulen 15 fließenden Ströme beeinflusst werden. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Magnetfeldspulen 15 in der sogenannten Helmholtz-Konfiguration angeordnet. Der Spulenradius d/2 entspricht also dem Abstand a zwischen den Magnetfeldspulen 15. Für I₁ = I₂, wenn also durch beide Magnetfeldspulen 15 ein identischer Strom fließt, entsteht dann ein weitgehend homogenes Magnetfeld 21 zwischen den Magnetfeldspulen 15. Durch Variation von d, a sowie I₁ und I₂ lassen sich - wie bereits erwähnt - davon abweichende Magnetfeldverteilungen erreichen. Sowohl der Stromfluss I₁, I₂ in den Magnetfeldspulen 15 als auch das Magnetfeld 21 ist in 2 schematisch mittels schwarzer Pfeile dargestellt.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit einer zweiten Magnetfeldanordnung. Das dritte, in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen identisch zu dem zweiten, in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, so dass in 3 gleich bezeichnete Komponenten denen des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen und das zuvor zu diesen Komponenten Gesagte auch für die Komponenten des dritten Ausführungsbeispiels Geltung hat. Das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere darin, dass die Einheit zur Bereitstellung eines Magnetfeldes 20 keine außerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 angeordneten Magnetfeldspulen 15 aufweist, sondern die Magnetfelder 21 innerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 durch oberhalb des Substrates 60 beziehungsweise oberhalb des Trägerelementes 70 und/oder unterhalb der Elektronenquelle 40 angeordnete Permanentmagnete 22 erzeugt wird. Der Südpol S des oberhalb des Substrates 60/Trägerelementes 70 angeordneten Permanentmagneten 22 ist dem Nordpol N des unterhalb der Elektronenquelle 40 angeordneten Permanentmagneten 22 zugewandt. In diesem dritten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 22 rein beispielhaft an die Größe des Trägerelementes 70 und der Verdampfer-Einheit 50 angepasst. Es können aber auch andere erfindungsgemäße Vorrichtungen 100 realisiert werden, welche Permanentmagnete 22 umfassen, deren geometrischen Dimensionen stark von den hier dargestellten und beschriebenen abweichen.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit einer dritten Magnetfeldanordnung dargestellt. Das vierte, in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen identisch zu dem zweiten, in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, so dass in 4 gleich bezeichnete Komponenten denen des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen und das zuvor zu diesen Komponenten Gesagte auch für die Komponenten des vierten Ausführungsbeispiels Geltung hat. Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel insbesondere darin, dass die von den Wicklungen eingeschlossenen Flächen der zwei außerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 angeordneten Magnetfeldspulen 15 parallel und nicht senkrecht zur Höhe h des Vakuum-Rezipienten 90 beziehungsweise parallel zu einer gedachten, in 2 gestrichelt dargestellten Gerade 10 verlaufen, welche das Trägerelement 70 sowie die Materialquelle 50, innerhalb des Vakuum-Rezipienten 90 auf kürzestem Wege miteinander verbindet.
Bei dieser Magnetfeldanordnung, bei welcher die Magnetfelder 21 parallel zur Oberfläche des Substrats 60 verlaufen, wird die Elektronenbewegung in Richtung auf das Substrat 60 behindert. Durch Variation des Magnetfeldes 21 - beispielsweise durch Variation der durch die Magnetfeldspulen 15 fließenden Ströme I₁, I₂ - kann so der Elektronenstrom auf die Oberfläche kontinuierlich variiert werden. Bei geeignet hohen Magnetfeldern kann der Elektronenstrom auf das Substrat 60 vollständig unterdrückt werden, so dass ausschließlich neutrale Moleküle oder in der Gasphase aktivierte Moleküle die Oberfläche des Substrates 60 erreichen. Die gekrümmten Bahnkurven der Elektronen in 4 sind der Übersichtlichkeit wegen nur schematisch als solche dargestellt. In der Realität verlaufen die Bahnkurven senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes.
Wie bereits erwähnt, können die im zweiten, aber auch die im vierten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Magnetfeldspulen 15 in weiten Bereichen variiert werden. Die Durchmesser der Magnetfeldspulen 15 können zum Beispiel sehr viel größer sein als die Abmessungen des Vakuum-Rezipienten 90. Auch müssen die Magnetfeldspulenpaare nicht notwendigerweise konzentrisch zu der Rezipienten- und/oder Elektrodenachse sein. Bei vielen Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen steht jedoch der Erhalt homogener Magnetfelder 21 zwischen der Elektronenquelle 40 und dem Substrat 60 im Vordergrund.
In 5 ist die Magnetfeldanordnung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung der übrigen Komponenten der Vorrichtung 100 verzichtet. Konkret zeigt 5 eine Anordnung von Permanentmagneten 22, bei welcher die Magnetfelder 21 auf einen kleinen Bereich in der Nähe der Wände des Vakuum-Rezipienten (nicht dargestellt) beschränkt sind und eine sogenannte Randfeldanordnung, beziehungsweise genauer ausgedrückt eine sogenannte line-cusp-Anordnung bilden. Bei dieser Anordnung sind die Nordpole N und die Südpole S der Permanentmagnete 22 alternierend in Linien entlang der Wände des Vakuum-Rezipienten angeordnet. Die sich zwischen den Nordpolen N und Südpolen S ausbildenden Magnetfelder 21 sind, was Stärke und Richtung betrifft, stark inhomogen. Das Magnetfeld 21 ist am stärksten an den Polstellen und am schwächsten in der Mitte zwischen beiden Polen N und S. Zwischen den Polen N und S besitzt das Magnetfeld Richtungskomponenten, die die Elektronenbewegung auf die Wand des Vakuum-Rezipienten behindern. Direkt an den Polen N und S stehen die Magnetfeldlinien senkrecht zur Wand des Vakuum-Rezipienten. Die in den Bereich zwischen den Polen N und S eintretenden Elektronen können nicht direkt auf die Wand des Vakuum-Rezipienten gelangen, sondern wandern durch die Wirkung des Gradienten-Magnetfeldes spiralförmig in immer kleiner werdenden Lamour-Radien zu den Polstellen, wo sie schließlich rekombinieren. Dies führt zu einer höheren Verweilzeit der Elektronen und folglich zu einer Erhöhung der Elektronendichte in dem Vakuum-Rezipienten. Derartige Randmagnetfeldanordnungen haben den weiteren Effekt, dass der effektive Verlustgradient der Elektronen, also die Rekombinationsverluste an den Wänden des Vakuum-Rezipienten in Richtung der Wände kleiner wird, wodurch es zu einer Homogenisierung der Elektronendichteverteilung im Vakuum-Rezipienten kommt. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn große Substratflächen beschichtet werden sollen, wobei die Schichteigenschaften möglichst homogen auf der Substratoberfläche verteilt sein sollen.

Claims

Vorrichtung (100) zur elektronenunterstützten Beschichtung von Substraten (60), umfassend einen Vakuum-Rezipienten (90), welcher zur Bereitstellung eines Vakuums (80) ausgebildet ist; mindestens ein Trägerelement (70), welches zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrates (60) ausgebildet ist; eine Materialquelle (50), insbesondere eine Verdampfer-Einheit, zur Bereitstellung organischer Moleküle, der Ausgangsmaterial kontinuierlich oder diskontinuierlich zuführbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) ferner eine Elektronenquelle (40) für die Freigabe von Elektronen umfasst, mittels welcher innerhalb des Vakuum-Rezipienten (90) Elektronen (30) bereitstellbar sind.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Elektronenquelle (40) dazu ausgebildet ist, die Elektronen (30) in unmittelbarer Umgebung zu der Materialquelle (50) bereitzustellen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes (20).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes (20) mindestens eine außerhalb des Vakuum-Rezipienten (90) angeordnete Magnetfeldspule (15) umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes (20) dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld (21) bereitzustellen, dessen Magnetfeldlinien parallel zu einer gedachten Gerade (10) verlaufen, welche das Trägerelement (70) sowie die Materialquelle (50) innerhalb des Vakuum-Rezipienten (90) auf kürzestem Wege miteinander verbindet.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Einheit zur Bereitstellung mindestens eines Magnetfeldes (20) dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld (21) bereitzustellen, dessen Magnetfeldlinien parallel zur Oberfläche eines von dem Trägerelement (70) aufgenommenen Substrates (60) verlaufen.
Verfahren zur elektronenunterstützten Beschichtung eines Substrates (60), welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen eines zu beschichtenden Substrates (60) in einem Vakuum (80); Erzeugen und Bereitstellen von Elektronen (30) innerhalb des Vakuums (80); gekennzeichnet durch den Schritt des Bereitstellens, insbesondere Verdampfens von für die Beschichtung zu verwendenden organischen Molekülen derart, dass die bereitgestellten, insbesondere verdampften organischen Moleküle durch die Elektronen (30) aktiviert werden und auf das Substrat (60) einwirken.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei im Schritt des Erzeugens und Bereitstellens, die Bereitstellung der Elektronen (30) am Ort des zu beschichtenden Substrates (60) und/oder an dem Ort innerhalb des Vakuums (80) erfolgt, an welchem die organischen Moleküle verdampft und/oder dem Vakuum (80) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend den Schritt des Bereitstellens mindestens eines Magnetfeldes (20) innerhalb des Vakuums (80) zur Beeinflussung der Elektronendichte der Elektronen (30).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Magnetfeldlinien des im Schritt des Bereitstellens mindestens eines Magnetfeldes (20) bereitgestellten Magnetfeldes (20) parallel oder senkrecht zu der Oberfläche des bereitgestellten, zu beschichtenden Substrates (60) verlaufen.