DE102021129537A1

DE102021129537A1 - Verfahren, Verdampfungsanordnung und Verwendung einer Konvektionsbarriere

Info

Publication number: DE102021129537A1
Application number: DE102021129537.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Faber; Ekkehart Reinhold; Bernd-Dieter Wenzel
Original assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren (100) aufweisen: Bestrahlen (100a) einer Oberfläche (102) einer Schmelze (110), die vorzugsweise einem Vakuum ausgesetzt ist, mittels eines Heizstrahls (23); und Separieren (100b) eines ersten Bereichs (102a) der Oberfläche (102), der mittels des Elektronenstrahls (23) bestrahlt wird, mittels einer Konvektionsbarriere (104) von einem zweiten Bereich (102b) der Oberfläche (102).

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren, eine Verdampfungsanordnung und eine Verwendung einer Konvektionsbarriere.
EB-PVD (auch als Elektronenstrahlbedampfen oder Elektronenstrahl-unterstützte physikalische Gasphasenabscheidung bezeichnet) ist ein industriell etabliertes Vakuumbeschichtungsverfahren für bandförmige Substrate (Metallbänder oder Folien), diskrete Platten, wie Wafer, oder andere Werkstücke sowie Einzelteile, die beispielsweise in einem Carrier (auch als Werkstückträger bezeichnet) durch die Beschichtungszone hindurch transportiert werden.
Beim Elektronenstrahlbedampfen wird das schichtbildende Material (auch als Verdampfungsgut oder Verdampfungsmaterial bezeichnet) mittels eines Elektronenstrahls in die Gasphase überführt (auch als Elektronenstrahlverdampfen bezeichnet). Verdampfungsgut, welches nur aus der Schmelze verdampft werden kann, wird in einem sogenannten Tiegel (auch als Verdampfungstiegel bezeichnet) gehalten, während es mittels des Elektronenstrahls bestrahlt wird. Das in dem Tiegel angeordnete Verdampfungsgut wird dabei durch den lokalen Energieeintrag des Elektronenstrahls auf seine Schmelztemperatur gebracht und verdampft nachfolgend.
Für die Konstruktion des Tiegels gibt es grundlegend zwei Konzepte, nämlich der aktiv gekühlte (z.B. wassergekühlte) Tiegel und der passive (z.B. thermisch isolierende) Tiegel. Gegenüber dem aktiv gekühlten Tiegel verringert der passive Tiegel den Energieverbrauch der EB-PVD und gewinnt daher zunehmend an wirtschaftlicher und ökonomischer Attraktivität.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass das geschmolzene Verdampfungsgut (auch als Schmelze bezeichnet) erheblich zur Konvektion neigt, beispielsweise auch, wenn der Tiegel nicht aktiv (beispielsweise mittels einer Kühlflüssigkeit) gekühlt wird, und dass diese Konvektion ein wichtiger Parameter bei der Optimierung des Elektronenstrahlverdampfen ist. Anders ausgedrückt wurde erkannt, dass sich das Elektronenstrahlverdampfen verbessern lässt, indem Einfluss auf diese Konvektion der Schmelze genommen wird. Anschaulich wird eine Konvektionsbarriere in die Schmelze eingebracht, welche die Schmelze in kleinere Bereiche separiert und somit einen Strömungstransport zwischen diesen hemmt. Nachfolgend werden verschiedene Aspekte des Elektronenstrahlverdampfens erläutert, die sich auf diese Weise optimieren lassen.
Als ein Aspekt wurde erkannt, dass die Konvektion der Schmelze deren Kontakt mit den Tiegelwänden intensiviert, was einen Materialaustausch zwischen diesen begünstigt. Unter anderem begünstigt dies die Korrosion der Tiegelwände, beispielsweise indem die Schmelze physisch und/oder chemisch in die Tiegelwand eindringt (auch als Infiltration bezeichnet), was die Standzeit des Tiegels reduziert. Alternativ oder zusätzlich zu der Korrosion kann die Schmelze von dem Material der Tiegelwand verunreinigt werden, was die Qualität der Beschichtung mindert. Anschaulich transportiert die Konvektion sehr viel thermische Energie zu den Tiegelwänden hin, was diesen Materialaustausch begünstigt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Konvektion gehemmt, was den Materialaustausch zwischen Schmelze und Tiegelwand vermindert und so den Wartungsaufwand mindert und/oder die Prozessqualität steigert. Ferner kann, beispielsweise bei Beibehaltung des Tiegelvolumens, die abdampfende heiße Oberfläche verkleinert werden, ohne den Energieverbrauch für die Verdampfung zu erhöhen (sondern diesen sogar zu senken). Gleichzeitig wird begünstigt, dass zusätzliche Beeinträchtigungen, wie Spritzer (z.B. durch Blende) oder Fluktuationen (z.B. bei Nachfütterung) in der Verdampfung, vermindert werden.
Als ein zusätzlicher Aspekt, der alternativ oder zusätzlich zu der Vermischung von Schmelze und Tiegelwand auftreten kann, wurde erkannt, dass diese Konvektion den Temperaturgradienten, der am Ort der Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl zu einem Temperaturmaximum führt, in der Schmelze abbaut, was zu einer höheren mittleren Oberflächentemperatur der Schmelze führt. Die Schmelze emittiert dadurch mehr Wärmestrahlung, was den Wärmeverlust der Schmelze vergrößert, aber auch das Werkstück thermisch belastet. Da diese Wärmestrahlung der Schmelze mit zunehmender Oberfläche der Schmelze zunimmt, ist dies beispielsweise bei einem großen Tiegel für eine große Materialbevorratung von Bedeutung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Konvektion gehemmt, was, beispielsweise die heiße Oberfläche reduziert und dadurch, die Emission von Wärmestrahlung durch die Schmelze mindert und so die Energieeffizienz und/oder die Prozessqualität steigert.
Als ein noch zusätzlicher Aspekt wurde der Fall erkannt, in dem eine ungünstige Geometrie die Dampfausnutzung hemmt, wodurch sich die mit steigender Oberfläche der Schmelze zunehmende Verdampfungsrate nur noch wenig auf die Beschichtungsrate auswirkt.
Um der Emission von Wärmestrahlung entgegenzuwirken wird häufig eine aktiv gekühlte Abdeckung des Verdampfungstiegels verwendet, welche aber häufig selbst beschichtet wird, so dass das Verdampfungsgut zurück in den Tiegel tropft und so zu Spritzern führt, oder (wenn die Abdeckung gut gekühlt ist) an der Abdeckung erstarrt und sogar bis zur Schmelze reichende Schichten bilden kann. Letzteres begünstigt die Bildung von Kältebrücken, was zu Temperaturschwankungen in der Schmelze führen kann, die wiederum zu Rateschwankungen führen und/oder den Energiebedarf erhöhen. Auf ähnliche Weise kann bei sehr großen Tiegeln an den Tiegelwänden aufgedampftes Verdampfungsgut nicht ohne Weiteres wieder abschmelzen, da die Tiegelwände häufig zu kalt sind, so dass sich große Tropfen aus dem Verdampfungsgut bilden, die sich ablösen und in die Schmelze zurückfallen können, was ebenso zu Spritzern führen kann, die bis zum Werkstück gelangen können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Konvektion gehemmt, was die Beschichtung der Tiegelwände und/oder einer gekühlten Abdeckung (auch als Tiegeldeckel bezeichnet) des Tiegels mindert und so die Energieeffizienz und/oder die Prozessqualität steigert.
Es zeigen

1 ein Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht;
2 eine Verdampfungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht;
3 eine Vakuumanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht; und
4 bis 9 jeweils die Verdampfungsanordnung bzw. das Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung (z.B. ohmsch und/oder elektrisch leitfähig, z.B. einer elektrisch leitfähigen Verbindung), eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Begriff „gekoppelt“ oder „Kopplung“ im Sinne einer (z.B. mechanischen, hydrostatischen, thermischen und/oder elektrischen), z.B. direkten oder indirekten, Verbindung und/oder Wechselwirkung verstanden werden. Mehrere Elemente können beispielsweise entlang einer Wechselwirkungskette miteinander gekoppelt sein, entlang welcher die Wechselwirkung ausgetauscht werden kann, z.B. ein Fluid (dann auch als fluidleitend gekoppelt bezeichnet). Beispielsweise können zwei miteinander gekoppelte Elemente eine Wechselwirkung miteinander austauschen, z.B. eine mechanische, hydrostatische, thermische und/oder elektrische Wechselwirkung. Eine Kopplung mehrerer Vakuumkomponenten (z.B. Ventilen, Pumpen, Kammern, usw.) miteinander kann aufweisen, dass diese fluidleitend miteinander gekoppelt sind. Mittels einer Separation der Elemente kann diese Kopplung gemindert oder unterbrochen werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann „gekuppelt“ im Sinne einer mechanischen (z.B. körperlichen bzw. physikalischen) Kopplung verstanden werden, z.B. mittels eines direkten körperlichen Kontakts. Eine Kupplung kann eingerichtet sein, eine mechanische Wechselwirkung (z.B. Kraft, Drehmoment, etc.) zu übertragen.
Als Ist-Zustand einer Entität (z.B. einer Vorrichtung, eines Systems oder eines Vorgangs bzw. Prozesses) kann der tatsächlich vorliegende bzw. sensorisch erfassbare Zustand der Entität verstanden werden. Als Soll-Zustand der Entität kann der angestrebte Zustand, d.h. eine Vorgabe, verstanden werden. Als Steuern kann eine beabsichtigte Beeinflussung des momentanen Zustands (auch als Ist-Zustand bezeichnet) der Entität verstanden werden. Dabei kann der momentane Zustand gemäß der Vorgabe (auch als Soll-Zustand bezeichnet) verändert werden, z.B. indem ein oder mehr als ein Betriebsparameter (dann auch als Stellgröße bezeichnet) der Entität verändert wird, z.B. mittels eines Stellglieds. Regeln kann als Steuern verstanden werden, wobei zusätzlich einer Zustandsänderung durch Störungen entgegengewirkt wird. Dazu wird der Ist-Zustand mit dem Soll-Zustand verglichen und die Entität derart beeinflusst, z.B. mittels eines Stellglieds, dass die Abweichung des Ist-Zustands von dem Soll-Zustand minimiert wird. Die Regelung implementiert somit im Gegensatz zu der reinen vorwärts gerichteten Ablaufsteuerung eine fortlaufende Einflussnahme der Ausgangsgröße auf die Eingangsgröße, welche durch den sogenannten Regelkreis bewirkt wird (auch als Rückführung bezeichnet). Mit anderen Worten kann hierin verstanden werden, dass alternativ oder zusätzlich zu der Steuerung (bzw. dem Ansteuern) eine Regelung verwendet werden kann bzw. alternativ oder zusätzlich zu dem Steuern ein Regeln erfolgen kann.
Der Zustand einer steuerbaren Vorrichtung (z.B. einer Strukturierungsvorrichtung) bzw. eines steuerbaren Vorgangs (z.B. das Strukturieren) lässt sich als Punkt (auch als Arbeitspunkt oder Betriebspunkt bezeichnet) in einem Raum (auch als Zustandsraum bezeichnet) angeben, der von den veränderlichen Parametern der Vorrichtung bzw. des Vorgangs (auch als Betriebsparameter bezeichnet) aufgespannt wird. Der Zustand der Vorrichtung bzw. des Vorgangs ist somit eine Funktion des jeweiligen Werts eines oder mehr als eines Betriebsparameters, welcher den Zustand der Vorrichtung bzw. des Vorgangs somit repräsentiert. Der Ist-Zustand kann basierend auf einer Messung (z.B. mittels eines Messglieds) eines oder mehr als eines Betriebsparameters (dann auch als Regelgröße bezeichnet) ermittelt werden.
Der Begriff „Verdampfungsgut“ kann hierin verstanden werden als ein zu verdampfendes Material, welches unter Hitzeeinwirkung aufgeschmolzen (dann auch als Schmelze bezeichnet) werden kann und/oder in die Gasphase übergeht. Das Überführen des Verdampfungsguts in die Dampfphase kann auch als thermisches Verdampfen bezeichnet sein oder werden. Das thermische Verdampfen weist den Übergang aus der flüssigen Phase in die Gasphase auf und optional, je nach Art des Verdampfungsguts auch den unmittelbaren Übergang aus der festen Phase in die Gasphase (auch als Sublimation bezeichnet). Die Schmelze kann im Wesentlichen (abgesehen von Verunreinigungen) aus dem Verdampfungsgut bestehen. Das verdampfte Verdampfungsgut kann optional an einem Werkstück angelagert werden, und dort eine Schicht bilden (auch als Beschichten des Werkstücks bezeichnet). Die Schicht kann dann das Verdampfungsgut, z.B. dessen chemische Zusammensetzung, aufweisen oder daraus gebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Werkstück zumindest eines von Folgendem aufweisen oder daraus gebildet sein: eine Keramik, ein Glas, einen Halbleiter (z.B. einen amorphen, polykristallinen oder einkristallinen Halbleiter, z.B. Silizium), ein Metall (z.B. Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl, Platin, Gold, etc.), ein Polymer (z.B. Kunststoff) und/oder eine Mischung verschiedener Materialien, wie z.B. ein Verbundwerkstoff (z.B. Kohlenstofffaser-verstärkter-Kohlenstoff, oder Kohlenstofffaser-verstärkter-Kunststoff). Das Werkstück kann als Platte oder als Band (z.B. eine Folie) bereitgestellt sein oder werden. Beispielsweise kann das Werkstück eine Kunststofffolie, eine Halbleiterfolie, eine Metallfolie und/oder eine Glasfolie aufweisen oder daraus gebildet sein, und optional beschichtet sein oder werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Werkstück beispielsweise Fasern aufweisen, z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Metallfasern und/oder Kunststofffasern, z.B. in Form eines Gewebes, eines Netzes, eines Gewirks, Gestricks oder als Filz bzw. Flies.
Als thermisch isolierend kann hierin verstanden werden als eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 Watt pro Meter und Kelvin (W/m-K) aufweisend, zum Beispiel von weniger als ungefähr 0,1 W/m·K aufweisend. Ein thermisch isolierendes Material kann beispielsweise ein Dielektrikum aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. eine Keramik. Zwei thermisch voneinander isoliert eingerichtete (auch als thermisch separierte bezeichnet) Körper können anschaulich einen hohen Wärmewiderstand (Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit) untereinander aufweisen, z.B. eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 Watt pro Meter und Kelvin (W/m·K), zum Beispiel weniger als ungefähr 0,1 W/m-K.
Im Rahmen dieser Beschreibung kann ein Metall (auch als metallischer Werkstoff bezeichnet) zumindest ein metallisches Element (d.h. ein oder mehrere metallische Elemente) aufweisen (oder daraus gebildet sein), z.B. zumindest ein Element aus der Folgenden Gruppe von Elementen: Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Titan (Ti), Nickel (Ni), Silber (Ag), Chrom (Cr), Platin (Pt), Gold (Au), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Zirkonium (Zr), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadium (V), Barium (Ba), Indium (In), Calcium (Ca), Hafnium (Hf), Samarium (Sm), Silber (Ag), und/oder Lithium (Li). Ferner kann ein Metall eine metallische Verbindung (z.B. eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung) aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. eine Verbindung aus zumindest zwei metallischen Elementen (z.B. aus der Gruppe von Elementen), wie z.B. Bronze oder Messing, oder z.B. eine Verbindung aus zumindest einem metallischen Element (z.B. aus der Gruppe von Elementen) und mindestens einem nichtmetallischen Element (z.B. Kohlenstoff), wie z.B. Stahl.
Als hochtemperaturfestes Material kann hierin ein Material verstanden werden, welches unter Vakuum (zum Beispiel unter Sauerstoffausschluss) eine Stabilität-Grenztemperatur aufweist, die größer ist als ungefähr 2000 (z.B. 2500°C), zum Beispiel größer als ungefähr 2750°C, zum Beispiel größer als ungefähr 3000°C. Beispiele für die Stabilität-Grenztemperatur weisen auf: Zersetzungstemperatur, Schmelztemperatur und/oder Sublimationstemperatur. Als hochtemperaturfestes Material kann ein Material verstanden werden, welches unter Vakuum (zum Beispiel unter Sauerstoffausschluss) eine hohe thermisch-chemisch-mechanischer Widerstandsfähigkeit aufweist, z.B. größer als die von Stahl. Das hochtemperaturfeste Material kann beispielsweise Kohlenstoff, zum Beispiel in einer Kohlenstoffmodifikation, wie etwa Graphit, oder in einer Karbid-Verbindung, aufweisen oder daraus gebildet sein. Optional kann das hochtemperaturfeste Material Fasern aufweisen und/oder thermisch isolierend sein. Beispielsweise kann das hochtemperaturfeste Material ein Faserverbundmaterial aufweisen oder daraus gebildet sein, wobei das Faserverbundmaterial beispielsweise den Kohlenstoff aufweisen kann.
Beispielsweise kann das hochtemperaturfeste Material Graphit aufweisen oder daraus gebildet sein. Graphit kann beispielsweise eine preisgünstige Fertigung ermöglichen. Beispielsweise kann der Graphit kostengünstig bearbeitet werden und/oder eine vergleichsweise hohe Biegefestigkeit aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das hochtemperaturfeste Material eine Keramik (z.B. SiC) aufweisen, die Kohlenstoff (z.B. eine Karbidkeramik) oder Sauerstoff (z.B. eine Oxidkeramik) aufweist. Die Keramik kann beispielsweise eine große Festigkeit ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann das hochtemperaturfeste Material ein Metall aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. Tantal.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Vakuum verstanden werden als einen Druck von weniger als 0,3 bar aufweisend, z.B. einen Druck in einem Bereich von ungefähr 10 mbar bis ungefähr 1 mbar (mit anderen Worten Grobvakuum) oder weniger, z.B. einen Druck in einem Bereich von ungefähr 1 mbar bis ungefähr 10^-3 mbar (mit anderen Worten Feinvakuum) oder weniger, z.B. einen Druck in einem Bereich von ungefähr 10^-3 mbar bis ungefähr 10^-7 mbar (mit anderen Worten Hochvakuum) oder weniger.
Mittels der hierin offenbarten Konvektionsbarriere lässt sich gleichbleibender Beschichtungsrate erreichen:

• ein geringerer Energieverbrauch durch Unterbrechung der Strömung zur Tiegelwand
• eine geringere Kontamination des Bades durch Tiegelmaterial bei Einsatz besser korrosionsbeständigem Trennwandmaterials
• eine reduzierte Kontamination der Schmelze durch im Restgas enthaltene Reaktivgase, wenn ein Großteil der Badoberfläche durch Trennwand und Blende von Gasen abgeschirmt wird und im verdampfenden Bereich durch den Dampfstrom eine Gasströmung zur Badoberfläche hin unterbunden wird;
• eine reduzierte Abstrahlung zum Substrat durch verkleinerte dem Substrat zugewandte Badoberfläche
• ein vermindertes Spritzerrisiko durch Einschränken der dem Substrat zugewandten Schmelzbadfläche und durch begünstigtes Abfließen von aufgedampftem Material von der heißen Trennwand
• eine erhöhte Dampfausnutzung durch Ausblendung und Rückgewinnung von ungenutztem Dampf an der Trennwand
• eine Schaffung eines zum Substrat hin und zur übrigen Schmelze abgeschirmten, geschützten Bereichs für die Nachfütterung von Verdampfungsmaterials.

Nachfolgend wird Bezug zum einfacheren Verständnis genommen auf ein exemplarisches Bestrahlen mittels eines Elektronenstrahls. Das für den Elektronenstrahl Beschriebene kann in Analogie gelten für ein Bestrahlen mittels eines Strahls (auch als Heizstrahl bezeichnet) anderen Typs (z.B. aus kollimierter Strahlung oder zumindest aus Strahlenbündeln), beispielsweise eines Strahls aus elektromagnetischer Strahlung (z.B. Licht), wie beispielsweise eines Laserstrahls, oder eines Strahls aus anderen Teilchen (auch als Teilchenstrahl bezeichnet), z.B. eines Strahls aus Ladungsträgern. Ebenso dazu kann das für eine Elektronenstrahlquelle Beschriebene in Analogie gelten für jede Heizstrahlquelle anderen Typs. Ferner kann das für die Elektronenstrahlkanone Beschriebene in Analogie gelten für jede Bestrahlungsvorrichtung anderen Typs.
1 veranschaulicht ein Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht. Das Verfahren weist auf, in 100a, Bestrahlen einer Oberfläche 102 (auch als Schmelzenoberfläche bezeichnet) einer (z.B. zusammenhängenden) Schmelze 110 (auch als flüssiges Verdampfungsgut oder Schmelzbad bezeichnet), die vorzugsweise einem Vakuum 301 ausgesetzt ist, mittels eines Elektronenstrahls 23; und in 100b, Separieren eines ersten Bereichs 102a (auch als Auftreffbereich 102a bezeichnet) der Schmelzenoberfläche 102, der mittels des Elektronenstrahls 23 bestrahlt wird, mittels einer (festen und/oder dielektrischen) Konvektionsbarriere 104 von einem zweiten Bereich 102b (auch als Ruhebereich 102b bezeichnet) der Schmelzenoberfläche 102.
Die Schmelzenoberfläche 102 kann entlang Ebene 103, 101 (auch als Horizontale bezeichnet) erstreckt sein, welche quer zu einer Gravitationsrichtung 105 der Erde ist. Die Horizontale wird von einer ersten Richtung 101 und einer zweiten Richtung 103 aufgespannt. Die Konvektionsbarriere 104 ist entlang der ersten Richtung 101 betrachtet zwischen dem Auftreffbereich 102a und dem Ruhebereich 102b angeordnet, z.B. an diese angrenzend.
Die Konvektionsbarriere 104 kann eine oder mehr als eine Wand (auch als Barrierewand oder Trennwand bezeichnet) aufweisen oder daraus bestehen, wovon jede Barrierewand beispielsweise plattenförmig sein kann. Die Konvektionsbarriere 104, z.B. jede Barrierewand davon, kann aus einem festen Material (auch als Barrierematerial bezeichnet) bestehen.
Das Barrierematerial kann einen größeren Schmelzpunkt aufweisen als das Verdampfungsgut. Beispielsweise kann eine Differenz zwischen dem Schmelzpunkt des Barrierematerials und dem Schmelzpunkt des Verdampfungsguts größer sein als ungefähr 10 K (Kelvin), z.B. als ungefähr 20 K, z.B. als ungefähr 30 K, z.B. als ungefähr 40 K, z.B. als ungefähr 50 K, z.B. als ungefähr 100 K, z.B. als ungefähr 250 K, z.B. als ungefähr 500 K.
Beispielsweise kann das Barrierematerial ein hochtemperaturfestes (auch als temperaturstabiles bezeichnet) Material sein.
Die Konvektionsbarriere 104, z.B. jede Barrierewand davon, kann in die Schmelze 110 hineinragen (auch als eintauchen bezeichnet), z.B. entlang einer Richtung (auch als Eintauchrichtung bezeichnet), die schräg oder parallel zur Gravitationsrichtung 105 ist. Beispielsweise kann eine Strecke Tu (auch als Eintauchtiefe Tu bezeichnet), um welche die Barrierewand in die Schmelze 110 hineinragt, größer sein als eine erste Ausdehnung 101b (auch als Breite bezeichnet) der Barrierewand entlang der ersten Richtung 101. Mit anderen Worten kann der Abstand des Auftreffbereichs 102a von dem Ruhebereich 102b kleiner sein, als die Eintauchtiefe Tu, muss dies aber nicht zwangsweise.
Alternativ oder zusätzlich kann die Eintauchtiefe Tu kleiner sein als eine zweite Ausdehnung (auch als Länge bezeichnet) der Barrierewand entlang einer zweiten Richtung 103, die in der Horizontalen liegt und quer zur ersten Richtung 101 ist.
Optional kann die Konvektionsbarriere 104 zumindest teilweise aus der Schmelze 110 herausragen, entgegen der Eintauchrichtung. Beispielsweise kann eine Strecke To (auch als Überstand To bezeichnet), um welche die Konvektionsbarriere 104 bzw. deren Barrierewand aus der Schmelze 110 herausragt, kleiner sein als die Eintauchtiefe Tu. Je kleiner der Überstand To ist, desto geringer kann die von diesem zusätzlich emittierte Wärmestrahlung sein, was die Wärmeverlustleistung der Konvektionsbarriere 104 verringert. Alternativ oder zusätzlich kann der Überstand To größer sein als die Breite 101b der Konvektionsbarriere 104 bzw. der Barrierewand. Der Überstand To kann aber auch null sein.
Die Konvektionsbarriere 104 kann derart eingerichtet (angeordnet und ausgerichtet) sein, dass diese eine Konvektion 401 von dem Auftreffbereich 102a zu dem Ruhebereich 102b hemmt. Dazu kann die Konvektionsbarriere 104 derart angeordnet sein, dass eine gradlinige Strecke, welche den Auftreffbereich 102a und den Ruhebereich 102b miteinander verbindet, durch die Konvektionsbarriere 104 hindurch verläuft.
Ferner kann die Konvektionsbarriere 104 derart eingerichtet sein, dass diese ein Nachfließen von Verdampfungsgut von dem Ruhebereich 102b zu dem Auftreffbereich 102a hin zulässt. So wird der Verbrauch der Schmelze 110 beim Verdampfen kompensiert, so dass diese weniger nachgefüllt werden muss. Dazu kann die Konvektionsbarriere 104 derart eingerichtet sein, dass der Auftreffbereich 102a und der Ruhebereich 102b an der Konvektionsbarriere 104 vorbei (z.B. entlang eines nicht-geradlinigen Pfades) miteinander fluidleitend gekoppelt sind. Dies begünstigt, dass geschmolzenes Verdampfungsgut von dem Ruhebereich 102b zu dem Auftreffbereich 102a fließen kann, so dass der Auftreffbereich 102a und der Ruhebereich 102b möglichst wenig voneinander abweichen in ihrer Höhenlage. Die Höhenlage bezeichnet geodätisch den lotrechten Abstand von einer nivellierten Referenzfläche, z.B. die Höhe über dem Meeresspiegel.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Konvektionsbarriere 104, z.B. jede Barrierewand davon, eine kleinere Dichte (auch als Massendichte bezeichnet) aufweisen als die Schmelze 110, z.B. maximal 95% (oder maximal 75%) der Dichte der Schmelze 110. Dies erleichtert die Handhabung der Konvektionsbarriere 104, da die Konvektionsbarriere 104 in der Schmelze 110 zum Schwimmen neigt.
Die Konvektionsbarriere 104 verkleinert den Auftreffbereich 102a, beispielsweise die dampfende Fläche hoher Temperatur der Schmelze 110, was die von der Schmelze 110 emittierte Strahlung und damit Wärmeverluste sowie Werkstückbelastung reduziert. Da die Verdampfungsrate näherungsweise exponentiell mit der Temperatur steigen kann und der Auftreffbereich 102a verkleinert wird, verbessert sich dadurch auch die thermische Bilanz der Bedampfung auf dem Werkstück.
Generell kann das Bestrahlen 100a derart erfolgen, dass der Schmelze 110 mittels des Elektronenstrahls 23 thermische Energie zugeführt wird, beispielsweise mehr als die Schmelze 110 an ihre Umgebung wieder abgibt. Beispielsweise kann das Bestrahlen 100a derart erfolgen, dass die Schmelze 110 an dem Auftreffbereich 102a in die gasförmige Phase übergeht. Mit anderen Worten kann der Auftreffbereich 102a gasförmiges Verdampfungsgut emittieren. Das in die Gasphase überführte (verdampfte) Verdampfungsgut kann sich in das Vakuum hinein ausbreiten.
Nachfolgend wird das Verfahren 100 zum besseren Verständnis im Kontext einer Verdampfungsanordnung 200 und exemplarischer Implementierungen davon erläutert, wobei verstanden werden kann, dass das Verfahren 100 auch mittels einer davon abweichend eingerichteten Verdampfungsanordnung 200 durchgeführt werden kann.
2 veranschaulicht eine Verdampfungsanordnung 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht.
Die Verdampfungsanordnung 200 weist einen Verdampfungstiegel 204 (vereinfacht auch als Tiegel bezeichnet) auf, der einen Verdampfungsgut-Behälter 204b aufweist und einen Hohlraum 204t (auch als Tiegelhafen oder Tiegelinnenraum bezeichnet), der in dem Verdampfungsgut-Behälter 204b angeordnet ist. Beispielsweise kann der Tiegelinnenraum 204t in den Verdampfungsgut-Behälter 204b hinein erstreckt sein, z.B. in eine Referenzrichtung 105, die im Betrieb die Gravitationsrichtung 105 sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Tiegelinnenraum 204t unterhalb einer Dampfaustrittsöffnung 204o angeordnet sein, die in dem Tiegelinnenraum 204t mündet.
Das Verdampfungsgut 106 kann in dem Tiegelinnenraum 204t angeordnet sein oder werden, z.B. in flüssiger (dann auch als Schmelze bezeichnet) oder zumindest teilweise in fester Form. Ferner kann der Verdampfungsgut-Behälter 204b beispielsweise zu der Referenzrichtung 105 hin fluiddicht eingerichtet sein, so dass das verflüssigte Verdampfungsgut nicht aus diesem heraus austritt.
Der Tiegel 204 kann zumindest teilweise (das heißt einige oder alle Bestandteile des Tiegels) aus einem hochtemperaturfesten (auch als temperaturstabil bezeichnet) Material bestehen, z.B. aus dem Barrierematerial.
Die Verdampfungsanordnung 200 kann weiterhin eine Tiegelhaltestruktur 108, z.B. ein Gestell aufweisend, aufweisen. Die Tiegelhaltestruktur 108 kann den Tiegel 204 auf einem Untergrund abstützen und davon thermisch separieren. Dazu kann die Tiegelhaltestruktur 108 beispielsweise thermisch isolierend eingerichtet sein oder zumindest ein thermisch isolierendes Material aufweisen.
Die Tiegelhaltestruktur 108 kann einen räumlichen Abstand und/oder eine thermische Separierung des Tiegels 204 von dem Untergrund bereitstellen (z.B. diese räumlich und/oder thermisch separiert voneinander halten), z.B. von den Wänden einer Gehäusewanne (nicht dargestellt) und/oder von den Wänden einer Vakuumkammer (nicht dargestellt). Die räumliche und/oder thermische Separation kann beispielsweise den thermischen Wärmeübertrag von dem Tiegel 204 in den Untergrund hemmen (dann auch als thermischer Blocker bezeichnet).
Optional kann die Tiegelhaltestruktur 108 eine oder mehr als eine Ebene (auch als Halteebene bezeichnet) aufweisen, wovon mehrere Halteebenen beispielsweise übereinander geschichtet sind. Eine oder mehr als eine Halteebene der Tiegelhaltestruktur 108 kann ein Filz aufweisen, zum Beispiel ein Kohlenstofffilz. Alternativ oder zusätzlich kann eine oder mehr als eine Halteebene der Tiegelhaltestruktur 108 ein oder mehr als ein Distanzstück aufweisen. Jede Halteebene kann beispielsweise eine oder mehr als eine Schicht aus Graphitfilz und/oder eine oder mehr als eine Schicht aus einer Gitterstruktur aufweisen. Alternativ kann auch nur genau eine Lage verwendet werden, z.B. aus Graphitfilz.
Optional kann die Verdampfungsanordnung 200 eine oder mehr als eine Hülle aufweisen, welche den Tiegel 204 zumindest teilweise umgibt und als Strahlungsabschirmung (auch als die thermisch-Abschirmstruktur bezeichnet) eingerichtet ist.
Die Verdampfungsanordnung 200 kann ferner eine oder mehr als eine Elektronenstrahlkanone 122 aufweisen, welche zum Bestrahlen des Tiegels 204, z.B. des Verdampfungsguts darin, mit dem Elektronenstrahl 23 eingerichtet ist.
Das Separieren 100b mittels der Konvektionsbarriere 104 kann in einigen Ausführungsformen aufweisen, die Konvektionsbarriere 104, beispielsweise gemeinsam mit dem Verdampfungsgut, vor diesem oder nachdem dieses geschmolzen wurde, in den Tiegelinnenraum 204t einzubringen und zwischen zwei Bereichen 110a, 110b des Tiegelinnenraums 204t (auch als erster Innenraumbereich 110a und zweiter Innenraumbereich 110b bezeichnet) anzuordnen (vergleiche auch 5). Alternativ oder zusätzlich kann die Konvektionsbarriere 104, beispielsweise bevor die Schmelze 110 erstarrt, aus dem Tiegelinnenraum 204t bzw. aus der Schmelze 110 herausgebracht werden. Ein- und Ausbringen kann beispielsweise mittels Bewegens (z.B. Hebens oder Senkens) der Konvektionsbarriere und/oder mittels Bewegens (z.B. Hebens oder Senkens) des Tiegels 204 oder zumindest des Verdampfungsgut-Behälters 204b erfolgen. Letzteres bietet sich beispielsweise an, wenn zum Konstanthalten des Badstands eine Tiegelhubvorrichtung genutzt wird.
Ferner kann die Konvektionsbarriere 104 derart angeordnet sein, dass zwischen dem Verdampfungsgut-Behälter 204b, z.B. zumindest einer Tiegelwand dessen, und der Konvektionsbarriere 104 eine Durchgangsöffnung 104o (auch als Austauschöffnung bezeichnet) gebildet ist, welche die zwei Innenraumbereiche 110a, 110b des Tiegelinnenraums 204t, zwischen denen die Konvektionsbarriere 104 angeordnet ist, fluidleitend miteinander verbindet (siehe beispielsweise 5). Dies erleichtert den Austausch von geschmolzenem Verdampfungsgut zwischen den zwei Innenraumbereichen 110a, 110b. So wird der Verbrauch der Schmelze 110 beim Verdampfen kompensiert, so dass diese weniger nachgefüllt werden muss.
In einigen Ausführungsformen kann die Konvektionsbarriere 104, z.B. jede Barrierewand davon, derart eingerichtet sein, dass deren Beweglichkeit innerhalb des Tiegelinnenraums s204t beschränkt ist derart, so dass in jeder Position, welche die Konvektionsbarriere 104 selbsttätig einnehmen kann, die zwei Innenraumbereiche 110a, 110b des Tiegelinnenraums 204t, zwischen denen die Konvektionsbarriere 104 angeordnet ist, und die Austauschöffnung 104o gebildet sind (siehe beispielsweise 5). Dies kann beispielsweise erleichtert werden, wenn die Konvektionsbarriere 104, z.B. jede Barrierewand davon, auf der Schmelze 110 schwimmt, da diese so beim Verbrauch der Schmelze 110 selbsttätig der absinkenden Schmelzenoberfläche 102 nachfolgt.
Optional kann die Konvektionsbarriere 104 eine Haltevorrichtung 220 (auch als Barriere-Haltevorrichtung bezeichnet) aufweisen, welche zumindest eine (d.h. eine oder mehr als eine) Barrierewand der Konvektionsbarriere 104 in dem Tiegelinnenraum 204t hält derart, dass die zwei Innenraumbereiche 110a, 110b des Tiegelinnenraum s204t, zwischen denen die Barrierewand angeordnet ist, und die Austauschöffnung 104o gebildet sind. Beispielsweise kann die Barriere-Haltevorrichtung 220 die zumindest eine Barrierewand mit dem Verdampfungsgut-Behälter 204b kuppeln. Beispielsweise kann die Barriere-Haltevorrichtung 220 an dem Verdampfungsgut-Behälter 204b abgestützt und/oder damit gekuppelt sein. Die Barriere-Haltevorrichtung 220 verbessert die Positionierung der zumindest einen Barrierewand. Die Verwendung der Barriere-Haltevorrichtung 220 erreicht aber auch, dass die Konvektionsbarriere 104 nicht zwingend auf der Schmelze 110 schwimmend eingerichtet sein muss.
3 veranschaulicht eine Vakuumanordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, welche die Verdampfungsanordnung 200 aufweist und ferner eine Vakuumkammer 224 (auch als Vakuumprozesskammer oder Bedampfungskammer bezeichnet), in welcher ein Beschichtungsraum 224r angeordnet ist, wobei der Beschichtungsraum 224r beispielsweise das Innere der Vakuumkammer 224 ausfüllen und/oder zumindest das Vakuum aufweisen kann. In dem Beschichtungsraum 224r kann der Tiegel 204 angeordnet sein.
Die Vakuumanordnung 300 kann ferner ein Pumpensystem (z.B. eine oder mehr als eine Vorvakuumpumpe und/oder eine oder mehr als eine Hochvakuumpumpe aufweisend), das mit dem Beschichtungsraum 224r fluidleitend gekoppelt ist, zum Bereitstellen eines Vakuums in dem Beschichtungsraum 224r.
Die Elektronenstrahlkanone 122 kann eine Elektronenstrahlquelle 112q und ein Ablenksystem 142a zum Ablenken des Elektronenstrahls 23 auf den Auftreffbereich 102a aufweisen. Die Elektronenstrahlquelle 112q kann eine Elektronenquelle (z.B. eine Kathode, z.B. Glühkathode) und eine Strahlformeinheit (z.B. eine Anode) aufweisen. Die Elektronenstrahlquelle 112q kann den Elektronenstrahl mit einer Leistung von mehreren kW (Kilowatt) bereitstellen, z.B. mit einer Strahlleistung in einem Bereich von ungefähr 1 kW bis ungefähr 1 MW.
Der Elektronenstrahl 23 kann beispielsweise gemäß einer (z.B. derselben) Ablenksequenz (auch als Elektronenstrahl-Ablenksequenz bezeichnet) abgelenkt werden, z.B. mehrmals hintereinander gemäß derselben Ablenksequenz. Eine Ablenksequenz kann anschaulich eine Abfolge von Soll-Auftreffpunkten und/oder eine Soll-Trajektorie (auch als Soll-Ablenktrajektorie bezeichnet) in dem Auftreffbereich 102a, auf welche der Elektronenstrahl 23 gerichtet wird (d.h. welcher mittels des Elektronenstrahls 23 abgefahren werden soll), repräsentieren. Die oder jede Ablenksequenz kann eine in sich geschlossene Trajektorie 155 bzw. eine Abfolge von Soll-Auftreffpunkten 155 entlang der in sich geschlossenen Trajektorie 155 in dem Auftreffbereich 102a definieren, welche bestrahlt werden soll (die sogenannte Auftrefffigur 155 oder Bestrahlungsfigur). Die Auftrefffigur 155 kann beispielsweise eine Trajektorie T(P,t) des Auftrefforts P(x,y,z) des Elektronenstrahls 23 repräsentieren. Die Größe und Ausrichtung der Auftrefffigur 155 auf dem Auftreffbereich 102a kann von ihrer Lage im Raum abhängen und optional zeitabhängig verändert und/oder transformiert werden.
In dem Beschichtungsraum 224r kann das zu beschichtende Werkstück 902 angeordnet und/oder transportiert sein oder werden, z.B. ein plattenförmiges oder bandförmiges Werkstück 902.
Die eine oder mehr als eine Elektronenstrahlkanone 122 kann mittels einer Energieversorgung 120 elektrisch versorgt werden. Beispielsweise kann die Energieversorgung 120 eine Beschleunigungsspannung und/oder einen Kathodenstrom der Elektronenstrahlkanone 122 bereitstellen. Die Beschleunigungsspannung kann mittels eines Transformators der Energieversorgung 120 bereitgestellt sein oder werden.
Nachfolgend werden verschiedene exemplarische Implementierungen des Verfahrens 100 bzw. der Verdampfungsanordnung 200 erläutert, in denen die Konvektionsbarriere 104 mehrere (d.h. zwei oder mehr) Barrierewände aufweist, zwischen denen der Auftreffbereich 102a bzw. der erste Innenraumbereich 110a angeordnet ist. Beispielsweise können die mehreren Barrierewände den Auftreffbereich 102a bzw. den ersten Innenraumbereich 110a auf einander gegenüberliegenden Seiten und/oder in mehrere Raumrichtungen begrenzen. Beispielsweise können die mehreren Barrierewände miteinander (z.B. mittels der Barriere-Haltevorrichtung) gekuppelt sein, z.B. einen Rahmen bereitstellend. Es kann verstanden werden, dass das für die mehrere Barrierewände aufweisende Konvektionsbarriere 104 in Analogie auch für anders angeordnete Barrierewände oder für nur eine Barrierewand gelten kann.
4 veranschaulicht die Verdampfungsanordnung 200 bzw. das Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 400 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, in denen das Bestrahlen der Schmelzenoberfläche 102, die vorzugsweise dem Vakuum 301 ausgesetzt ist, mittels des Elektronenstrahls 23 erfolgt. Dabei wird das Verdampfungsgut aufgrund der thermischen Energie, die mittels des Elektronenstrahls 23 dem Verdampfungsgut zugeführt wird, zu einer Konvektion 401 (auch als Strömungstransport bezeichnet) angeregt. Der Energieeintrag in das Verdampfungsgut erfolgt anschaulich lokal am Auftreffort 403 des Elektronenstrahls 23.
Die Konvektion 401 kann einen in sich geschlossenen Stofftransport des Verdampfungsguts aufweisen, welcher nahe der Schmelzenoberfläche 102 von dem Ort der Bestrahlung (auch als Auftreffort bezeichnet) weg gerichtet ist. Die Konvektion 401 bewirkt einen Wärmetransport in der Schmelze 110 von dem Auftreffort weg 403 und hin zu dem Verdampfungsgut-Behälter (bzw. dessen Tiegelwänden). Beispielsweise kann sich die Konvektion 401 bis an den Verdampfungsgut-Behälter ausbreiten. Der Wärmetransport erfolgt beispielsweise mittels oberflächengetriebener Strömungen zu den kälteren Bereichen an dem Verdampfungsgut-Behälter.
Das Verfahren 100 kann aufweisen, eine oder mehr als eine Barrierewand in die Schmelze 110 einzubringen derart, dass diese den Auftreffbereich 102a von dem Ruhebereich 102b separiert.
5 veranschaulicht die Verdampfungsanordnung 200 bzw. das Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 500 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, in denen das Separieren des Auftreffbereichs 102a, auf dem der (z.B. zeitabhängige) Auftreffort 403 des Elektronenstrahls 23 angeordnet ist, mittels der Konvektionsbarriere 104, von dem Ruhebereich 102b.
Mittels der Konvektionsbarriere 104 kann die Ausbreitung der Konvektion 401 begrenzt werden, beispielsweise auf den Auftreffbereich 102a. Beispielsweise kann die Konvektionsbarriere 104 zur Unterbrechung der oberflächengetriebenen Strömung hin zur Tiegelwand beitragen. Anschaulich wird der oberflächennahe Strömungsanteil der Konvektion 401 mittels der Konvektionsbarriere 104 bzw. jeder Barrierewand davon gestört, so dass die Konvektion 401 dort ihre Richtung ändert. Dies hemmt den Wärmetransport von dem Auftreffort 403 weg.
Die Konvektionsbarriere 104 weist in diesem Beispiel mehrere (d.h. zwei oder mehr als zwei) Barrierewände 104a, 104b auf, zwischen denen der (z.B. zeitabhängige) Auftreffort 403 angeordnet ist. Durch die oder jede Barrierewand 104a, 104b wird die oberflächennahe Strömung gehemmt, was den Wärmetransport in Richtung der Tiegelwand signifikant reduziert. Es bildet sich ein, durch die Barrierewände 104a, 104b begrenzter (z.B. eingeschlossener) Flächenteilbereich 102a (auch als Auftreffbereich 102a bezeichnet) sehr hoher Temperatur aus, was die Verdampfungsrate vergrößert, während gleichzeitig der außenliegende Flächenteilbereich 102b (auch als Ruhebereich 102b bezeichnet) eine niedrigere Temperatur als der Auftreffbereich 102a aufweist.
Beispielsweise kann die Eintauchtiefe Tu jeder Barrierewand 104a, 104b der mehreren Barrierewände größer sein als eine Breite 101b der Barrierewand. Alternativ oder zusätzlich kann die Eintauchtiefe Tu jeder Barrierewand 104a, 104b der mehreren Barrierewände kleiner sein als die Länge der Barrierewand.
6 veranschaulicht die Verdampfungsanordnung 200 bzw. das Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 600 (beispielsweise auf den Ausführungsformen 500 basierend) in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, in denen die Verdampfungsanordnung 200 ferner einen Deckel 602 (auch als Tiegeldeckel oder Deckelblende bezeichnet) aufweist, welcher mit dem Tiegel 204 zusammengefügt, den Tiegelinnenraum 204t zumindest teilweise begrenzt. Der Deckel 602 kann eine Deckelöffnung aufweisen, welche den ersten Innenraumbereich 110a, in dem der Auftreffbereich 102a angeordnet sein kann, bzw. den Auftreffbereich 102a freilegt.
Der Deckel 602 verbessert die Energieeffizienz der Verdampfungsanordnung 200, da dieser den Wärmeverlust der Schmelze verringert.
Optional kann der Deckel 602 mit zumindest einer Barrierewand 104a, 104b gekuppelt sein, beispielsweise mittels der Barriere-Haltevorrichtung 220 oder die Funktion der Barriere-Haltevorrichtung 220 bereitstellend.
Optional kann die Verdampfungsanordnung 200 eine Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) aufweisen, die eingerichtet ist, dem Deckel 602 thermische Energie zu entziehen, beispielsweise mittels eines Kühlfluids. Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung mit dem Deckel 602 thermisch gekoppelt sein oder in diesen integriert sein.
7 veranschaulicht die Verdampfungsanordnung 200 bzw. das Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 700 (beispielsweise auf den Ausführungsformen 500 oder 600 basierend) in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, in denen die Barriere-Haltevorrichtung 220 den zweiten Innenraumbereich 110b begrenzt (z.B. aus der Referenzrichtung 105) oder zumindest darin angeordnet ist. Dies mindert den Wärmeverlust weiter.
Beispielsweise kann die Barriere-Haltevorrichtung 220 außerhalb der Schmelze 110 angeordnet sein und/oder flächenförmig eingerichtet sein.
Die flächenförmig eingerichtete Barriere-Haltevorrichtung 220 kann beispielsweise eine (z.B. im Betrieb horizontal ausgerichtete) Blende (auch als Abschirmblende bezeichnet) aufweisen, welche von einer Durchgangsöffnung durchdrungen ist, die in dem ersten Innenraumbereich 110a mündet.
8 veranschaulicht die Verdampfungsanordnung 200 bzw. das Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 800 (beispielsweise der Ausführungsformen 500 bis 700) in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, in denen die Barriere-Haltevorrichtung 220 in dem zweiten Innenraumbereich 110b angeordnet ist (z.B. aus der Referenzrichtung 105) oder zumindest an den Ruhebereich 102b angrenzt. Beispielsweise kann die Barriere-Haltevorrichtung 220 als schwimmende Abdeckung des Ruhebereichs 102b eingerichtet sein. Dies erleichtert die Positionierung der Konvektionsbarriere 104.
Die Abschirmblende kann beispielsweise auf der Schmelze 110 schwimmend eingerichtet sein und diese abdecken. Die Abschirmblende kann ferner derart gelagert sein, dass diese in Kontakt mit der Schmelzenoberfläche 102 bleibt (d.h. dem Badstand folgt), wenn sich die Lage der Schmelzenoberfläche 102 verändert, z.B. bei Abnahme des Volumens der Schmelze 110 (auch als Badabsenkung bezeichnet). Dies trägt dazu bei, dass sich die durch die Austrittsöffnung der Abschirmblende bewirkte Dampfausbreitungscharakteristik bei Badabsenkung während der Verdampfung nicht ändert. Optional kann die Abschirmblende die Temperatur der Schmelze annehmen und Wärme abstrahlen. Der Wärmeaustausch und dadurch bewirkte Strömungen innerhalb der Schmelze werden mittels der Konvektionsbarriere 104 gehemmt, was die Temperatur der Abschirmblende verringert. Anschaulich kann der Wärmeaustausch zwischen Auftreffbereich 102a und Tiegelwänden bei der Elektronenstrahlverdampfung reduziert werden, was den Energieverbrauch senkt und das Tiegelmaterial schont.
In einigen Ausführungsformen kann die Barriere-Haltevorrichtung auch ein Stellglied (nicht dargestellt) aufweisen, das eingerichtet ist, in Antwort darauf angesteuert zu werden, eine Lage der Konvektionsbarriere 104 relativ zu dem Tiegel oder zumindest in dem Tiegelinnenraum 204t zu verändern. Exemplarische Komponenten des Stellglieds weisen auf: ein elektromechanischer Wandler, wie beispielsweise ein Elektromotor, ein hydromechanischer Wandler, wie beispielsweise eine Pumpe. Optional können die Barriere-Haltevorrichtung und das Stellglied mittels eines Getriebes miteinander gekuppelt sein. Exemplarische Komponenten des Getriebes weisen auf: ein Hebel (z.B. Hebearm), einen Hubkolben, Zahnräder, ein Zugmittel.
Das Ansteuern des Stellglieds kann mittels einer Steuervorrichtung (nicht dargestellt) erfolgen. Die Steuervorrichtung kann optional eingerichtet ist, Sensordaten zu verarbeiten, die einen Ist-Zustand der Schmelze repräsentieren. Dies erreicht, dass die Lage der Konvektionsbarriere verändert werden kann, wenn sich der Ist-Zustand der Schmelze verändert. Beispielhafte Parameter des Ist-Zustands der Schmelze, auf deren Grundlage das Ansteuern erfolgen kann, weisen auf: eine Temperatur der Schmelze 110, ein Temperaturgradient in der Schmelze 110, ein Volumen der Schmelze 110, ein Pegelstand der Schmelze 110 oder dergleichen. Beispielsweise kann dies ein Nachführungssystem implementieren.
9 veranschaulicht die Verdampfungsanordnung 200 bzw. das Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 900 (beispielsweise auf den Ausführungsformen 500 bis 800 basierend) in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, in denen das Beschichten eines Werkstücks 902 mittels des verdampften Verdampfungsguts 903 erfolgt.
Die Verdampfungsanordnung 200 kann optional eine Blende 904 (auch als Beschichtungsblende bezeichnet) aufweisen, welche in einem Abstand von dem Tiegel 204 angeordnet ist (z.B. bezüglich der Referenzrichtung vor bzw. über dem Tiegel 204). Das Beschichten des Werkstücks 902 kann aufweisen, das verdampfte Verdampfungsgut 903 entgegen der Referenzrichtung 105 aus dem Tiegel 204 heraus zu emittieren, z.B. zu dem Werkstück 902 hin oder zumindest zu einem Transportpfad 901 hin, entlang dessen das Werkstück 902 transportiert wird. Das Werkstück 902 kann dazu in dem Vakuum 301 angeordnet sein oder werden.
Die Beschichtungsblende kann optional einen Blendenverschlusses (auch als Shutter bezeichnet) aufweisen, der eingerichtet ist, die Durchgangsöffnung der Beschichtungsblende verschließen zu können mittels des Blendenverschlusses.
Generell ist es vorteilhaft, wenn die Konvektionsbarriere 104, z.B. eine oder mehr als eine Barrierewand 104a, 104b davon, möglichst stabil, beständig und einfach zu warten ist.
Eigenschaften der Konvektionsbarriere 104, z.B. einer oder mehr als einer Barrierewand 104a, 104b davon, welche dies begünstigen weisen auf: hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Bruchzähigkeit, geringe Dicke, geringe mittlere Dichte.
Ist die Temperaturbeständigkeit der Konvektionsbarriere hoch, z.B. höher als die des Tiegels, kann die Konvektionsbarriere gegenüber thermischer Beanspruchung widerstandsfähiger sein. Ist die Bruchzähigkeit der Konvektionsbarriere hoch, z.B. höher als die des Tiegels, kann die Konvektionsbarriere gegenüber mechanischer Beanspruchung widerstandsfähiger sein. Die mittlere Dichte der Konvektionsbarriere weist die gemittelte Dichte aller Bestandteile der Konvektionsbarriere auf. Ist die mittlere Dichte der Konvektionsbarriere kleiner als die Dichte der Schmelze, kann die Konvektionsbarriere beispielsweise darauf schwimmen, was den Betrieb erleichtert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Verdampfungsanordnung eingerichtet zur Beschichtung bewegter Werkstücke und stellt ein magnetisches Umlenkfeld für den Strahleinschuss bereit, wobei mittels der Trennwand (z.B. nach oben verlängert) ein eingeschränkter Auftreffbereich auf die Beschichtungsgeometrie hin optimiert wird.
Nachfolgend werden verschiedene auf die hierin gezeigten Figuren bezogene Implementierungen und deren Vorteile erläutert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umschließt die eine oder mehr als eine Barrierewand (auch als Sperrwand bezeichnet) den Auftreffbereich bzw. den zeitabhängigen Auftreffort des Elektronenstrahls. Beispielsweise kann der Tiegel langgestreckt sein, wobei dann eine Linie als Bestrahlungsfigur verwendet werden kann, die zwischen zwei seitlich angeordneten Barrierewänden, die in die Schmelze tauchen, angeordnet werden kann. Die eine oder mehr als eine Barrierewand kann dabei auf dem oder im Tiegel unterströmbar angeordnet, z.B. aufständert, aufgehängt (z.B. an einer Kühlblende) und in der Schmelze schwimmend (z.B. mit Abstandelementen um den Auftreffbereich fixiert), sein. Vorteilhaft ist dabei, wenn die Barrierewände kastenförmig angeordnet werden, in der Schmelze aufgrund einer ausreichend geringen Dichte schwimmen und nur durch Abstandselemente in ihrer Lage relativ zur Bestrahlungsfigur gehalten bzw. zentriert werden. Vergleichbares gilt bei einem Rundtiegel, bei dem eine rotationssymmetrische Bestrahlungsfigur verwendet werden kann, die mittels einer oder mehr als einer ringförmigen, beispielsweise schwimmenden, Barrierewand umschlossen wird.
Für Kupfer und Zinn als Verdampfungsgut kann die Konvektionsbarriere, z.B. eine oder mehr als eine Barrierewand davon, beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges Material, wie beispielsweise Graphit oder CFC (Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff), aufweisen oder daraus bestehen. Im Falle von Aluminium als Verdampfungsgut kann die Konvektionsbarriere, z.B. eine oder mehr als eine Barrierewand davon, Aluminiumoxid (beispielsweise Al₂O₃) oder Bornitrid aufweisen oder daraus bestehen.
Der Vorteil einer schwimmenden Barrierewand ist, dass diese dem Badspiegel folgt und damit relativ konstante Verdampfungsbedingungen erreicht werden. Im Gegensatz zum sonstigen Tiegelmaterial ist die notwendige Materialmenge und Materialausdehnung der Barrierewand sehr klein, wodurch auch teurere aber gegenüber dem Schmelzbad deutlich beständigere Materialien zum Einsatz kommen können.
Die Höhe (auch als Überstand bezeichnet), mit der die Barrierewand über die Schmelze hinaussteht, bewirkt durch ihren Abstand vom Auftreffort des Elektronenstrahls eine Abschirmung des verdampfenden Verdampfungsguts. Durch eine Anpassung der Geometrie jeder Barrierewand an die Verdampfungsgeometrie kann die Dampfausnutzung deutlich verbessert werden (vgl. 9). Dabei wirkt sich positiv aus, dass die Barrierewand durch ihre Nähe zum Auftreffort des Elektronenstrahls gut beheizt wird und dadurch an der Barrierewand abgeschiedenes Verdampfungsgut entweder gleich wieder verdampft oder sehr gut wieder in den Tiegel zurückfließen kann ohne Tropfen zu bilden.
Zusätzlich zu der durch die Barrierewand verminderten Wärmeabstrahlung kann die freie Badoberfläche optional neben dem Auftreffbereich mit einer gekühlten Platte (einer Kühlblende) zum Substrat hin abgedeckt werden, um die Strahlungsbelastung weiter zu reduzieren (siehe 6). Außerdem reduziert sich dadurch die Wahrscheinlichkeit, dass von oben herabfallendes Material (z.B. Streudampfschichten, Flitter, Tropfen) in die Schmelze fallen kann und damit zu Spritzern führt. Hierbei ist es vorteilhaft, die oder jede Barrierewand an dem Tiegeldeckel mittels einer entsprechenden Kontur einzuhängen.
Diese Implementierung kann weiter verbessert werden, indem die gekühlte Unterseite des Tiegeldeckels durch eine (optional geeignete und/oder horizontale) Abschirmung (auch als Abschirmblende bezeichnet) von der heißen Schmelzenoberfläche entkoppelt wird (siehe 7). Falls von dieser Schmelzenoberfläche trotz eingeschränkter Wärmezufuhr aus dem durch den Elektronenstrahl bestrahlten Auftreffbereich eine signifikante Verdampfung erfolgt, kann diese sich an der heißen Abschirmung sammeln und wieder in den Tiegel tropfen, ohne dass Spritzer zum Substrat gelangen können.
Die Abschirmblende kann beispielsweise aus dem gleichen Material gefertigt sein, wie die in die Schmelze ragende Barrierewand.
Es kann außerdem Einsatzfälle geben, in denen eine direkte Bedeckung der Schmelze im nicht dampfenden Ruhebereich sinnvoll sein kann. Zum Beispiel, wenn generell ein Abdampfen von dieser Oberfläche vermieden werden soll. Da diese Abdeckung dann die Temperatur der Schmelze annimmt, ist eine Abschirmung zum Substrat hin zweckmäßig. In Kombination mit der Barrierewand ergibt sich die in 8 gezeigte Konfiguration.
Um thermische Spannungen zu vermeiden, kann es günstig sein, die Barrierewand und/oder die horizontale Abschirmung segmentiert einzurichten.
Eine weitere Ausgestaltung dieser Implementierung weist auf, dass hinter der Barrierewand Verdampfungsgut nachgefüttert wird, wobei durch die teilweise thermische Entkopplung der Einfluss dadurch hervorgerufener Wärmefluktuationen reduziert wird. Auf der Schmelzenoberfläche angereicherte Oxidhaut des frisch zugeführten Materials gelangt daher schwieriger in den Auftreffbereich, was zu weniger Verunreinigungen in der Beschichtung und zu einem verminderten Spritzerrisiko führt.
Es kann ferner vorteilhaft sein, die oder jede Barrierewand nach Abschluss der Verdampfung aus der Schmelze zu entfernen, um ein „Festfrieren“ bei der Erstarrung und die damit verbundene Belastung zu vermeiden. Eine vorteilhafte Möglichkeit dafür besteht in der Begrenzung der vertikalen Bewegungsmöglichkeit der Trennwand oder deren Fixierung an einer Tiegelblende und der Absenkung des Tiegels, so dass die Barrierewand dann über dem Tiegelboden schwebt.
Eine weitere Implementierung weist eine Kopplung der Bewegung des Blendenverschlusses mit dem Einsetzen und/oder Herausheben der oder jeder Barrierewand auf. Zum Konditionieren und nach Abschluss der Beschichtung kann der Blendenverschluss geschlossen sein oder werden. Dabei muss die Barrierewand nicht notwendigerweise im Tiegel angeordnet sein. Bei der Beschichtung des Substrats ist der Blendenverschluss geöffnet und eine oder mehr als eine Sperrwand in die Schmelze eingetaucht.
Nachfolgend werden verschiedene exemplarische Implementierungen der Konvektionsbarriere bzw. deren Verwendung erläutert.
In einer ersten exemplarischen Implementierung der Lagerung der Konvektionsbarriere kann die oder jede Barrierewand davon auf der Schmelze schwimmen (auch als schwimmende Lagerung bezeichnet). Alternativ kann die oder jede Barrierewand auch (z.B. auf dem Tiegelboden) stehend oder mittels der Barriere-Haltevorrichtung 220 (z.B. an einer Kammerwand der Vakuumkammer oder an dem Tiegeldeckel) hängend gelagert sein. Eine stehend gelagerte Barrierewand kann beispielsweise eine oder mehr als eine Aussparung aufweisen, welche mit dem Tiegel zusammengefügt die Austauschöffnung bildet.
In einer zweiten exemplarischen Implementierung der Lagerung der Konvektionsbarriere kann der zwischen der Abschirmblende und der Schmelze gebildete Hohlraum gasförmiges Verdampfungsgut aufnehmen, was zum Auftrieb der Konvektionsbarriere beitragen kann.
In einer dritten exemplarischen Implementierung kann die Konvektionsbarriere breiter (Ausdehnung entlang der Horizontalen) als hoch (Ausdehnung quer zu der Horizontalen) sein. Dies erhöht die Schwimmstabilität.
In einer vierten exemplarischen Implementierung kann die Konvektionsbarriere entlang der Referenzrichtung von einer Durchgangsöffnung durchdrungen sein, in der der erste Innenraumbereich bzw. der Auftreffbereich angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Konvektionsbarriere eine Ausdehnung entlang der Referenzrichtung aufweisen, die größer ist die Ausdehnung quer zu der Referenzrichtung. Dies erhöht die Schwimmstabilität.
In einer fünften exemplarischen Implementierung kann der Massenschwerpunkt der Konvektionsbarriere in der Schmelze und/oder unterhalb des Volumenschwerpunkts angeordnet sein. Dies erhöht die Schwimmstabilität.
Dazu alternative oder zusätzliche Eigenschaften der Konvektionsbarriere, welche die Schwimmstabilität erhöhen, weisen auf: Verwendung von Materialien unterschiedlicher Dichte für die Konvektionsbarriere zur Senkung des Massenschwerpunktes; Verwendung von Hohlformen zur Senkung des Masseschwerpunkts gegenüber dem Volumenschwerpunkt; Formgebung so dass Kippmoment an Masse- und Volumenschwerpunkt immer zum Aufrichten der Barriere führt.
In einer sechsten exemplarischen Implementierung weist die Barriere-Haltevorrichtung einen oder mehr als einen Abstandshalter auf, welcher die Konvektionsbarriere von dem Verdampfungsgut-Behälter räumlich separiert.
In einer siebten exemplarischen Implementierung ist die Eintauchtiefe Tu der oder jeder Barrierewand größer als 1 cm (Zentimeter) und/oder größer als die Hälfte der Höhe der Barrierewand 104a, 104b. Alternativ oder zusätzlich ist die Eintauchtiefe Tu der oder jeder Barrierewand 104a, 104b kleiner als ungefähr 10 cm.
In einer dazu alternativen oder der siebten exemplarischen Implementierung ist die Eintauchtiefe Tu weniger als halb so groß, wie die Ausdehnung des Tiegelinnenraums 204t in den Verdampfungsgut-Behälter 204b hinein.
In einer achten exemplarischen Implementierung ist die Konvektionsbarriere rahmenförmig, z.B. vier oder mehr Barrierewände aufweisend.
In einer neunten exemplarischen Implementierung unterscheidet sich jede Barrierewand der Konvektionsbarriere von den Tiegelwänden des Verdampfungsgut-Behälters in einer oder mehr als einer der folgenden Eigenschaften: eine Dicke, eine Temperaturbeständigkeit, eine Bruchzähigkeit, eine chemische Zusammensetzung.
In einer zehnten exemplarischen Implementierung weist eine oder mehr als eine Barrierewand der Konvektionsbarriere Kohlenstoff, z.B. in einer oder mehr als einer Kohlenstoffmodifikation, auf. Alternativ oder zusätzlich weist eine oder mehr als eine Barrierewand der Konvektionsbarriere ein Verbundsmaterial (wie Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff, beschichteter Kohlenstoff, Beschichtungen mit pyrolytischem Kohlenstoff, Bornitrit oder pyrolytischem Bornitrit) auf oder besteht daraus.
In einer elften exemplarischen Implementierung weist eine oder mehr als eine Barrierewand der Konvektionsbarriere eine Streifenform auf.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
Beispiel 1 ist ein Verfahren, aufweisend: Bestrahlen einer Oberfläche einer Schmelze, die vorzugsweise einem Vakuum ausgesetzt ist, mittels eines Heizstrahls (z.B. Teilchenstrahls, vorzugsweise Elektronenstrahls, oder eines Laserstrahls); Separieren eines ersten Bereichs der Oberfläche, der mittels des Heizstrahls bestrahlt wird, mittels einer Konvektionsbarriere (bzw. einer Barrierewand dieser) von einem zweiten Bereich der Oberfläche; wobei die Schmelze vorzugsweise in Kontakt mit einem Tiegelbehälter ist.
Beispiel 2 ist das Verfahren gemäß Beispiel 1, wobei das Separieren derart erfolgt, dass eine Konvektion von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich gehemmt wird.
Beispiel 3 ist das Verfahren gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei sich die Konvektionsbarriere (z.B. nur zum Teil) in die Schmelze hinein erstreckt.
Beispiel 4 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die Schmelze in einem Verdampfungstiegel angeordnet ist.
Beispiel 5 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei das Separieren aufweist, dass die Konvektionsbarriere zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist oder wird, beispielsweise in die Schmelze eingebracht wird.
Beispiel 6 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 5, ferner aufweisend: Beschichten eines Werkstücks (das beispielsweise dem Vakuum ausgesetzt ist) mit einem von der Schmelze emittierten Material.
Beispiel 7 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 6, wobei die Konvektionsbarriere schwimmend in der Schmelze gelagert ist.
Beispiel 8 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 7, wobei das Separieren derart erfolgt, dass eine Konvektion in dem ersten Bereich eine größere Geschwindigkeit (z.B. Strömungsgeschwindigkeit) aufweist als in dem zweiten Bereich und/oder als eine Strömung von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich.
Beispiel 9 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 8, wobei das Separieren derart erfolgt, dass eine Konvektion in dem ersten Bereich einen größeren Massenstrom aufweist als in dem zweiten Bereich und/oder als ein Massenstrom von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich.
Beispiel 10 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 9, ferner aufweisend: Einbringen eines Materials (z.B. in fester Form) in die Schmelze hinein an dem zweiten Bereich, wobei die Schmelze das Material aufweist.
Beispiel 11 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 10, wobei das Separieren derart erfolgt, dass eine Konvektion in dem ersten Bereich einen größeren Wärmestrom (auch als Wärmefluss bezeichnet) aufweist als in dem zweiten Bereich und/oder als ein Wärmestrom von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich.
Beispiel 12 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 11, wobei mittels der Konvektionsbarriere ein Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich bereitgestellt ist von mehr als 10 (oder 20 oder 50 oder 100) Kelvin.
Beispiel 13 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 12, wobei das Bestrahlen mittels des Heizstrahls aufweist (beispielsweise bezogen auf eine Dauer, in der mindestens 1%, mindestens 5% oder mindestens 10% der Schmelze verdampft wird, oder bezogen auf mindestens 1%, mindestens 5% oder mindestens 10% der Dauer, für welche die Schmelze geschmolzen ist), den zweiten Bereich mittels des Heizstrahls gar nicht oder zumindest für eine geringere Dauer als den ersten Bereich zu bestrahlen (z.B. maximal 10% davon), und/oder wobei das Bestrahlen aufweist, dem zweiten Bereich keine Leistung (z.B. Strahlungsleistung) mittels des Heizstrahls oder zumindest weniger Leistung (z.B. Strahlungsleistung) mittels des Heizstrahls zuzuführen als dem ersten Bereich (z.B. maximal 10% davon).
Beispiel 14 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 13, das Bestrahlen aufweisend: zeitabhängiges Verändern eines Auftrefforts des Heizstrahls auf dem ersten Bereich, beispielsweise gemäß einem abgespeicherten Bestrahlungsschema.
Beispiel 15 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 14, wobei der Heizstrahl durch eine Durchgangsöffnung in einer Blende hindurch auf die Schmelze gerichtet ist, wobei die Konvektionsbarriere vorzugsweise von der Blende gehalten wird.
Beispiel 16 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 15, wobei nur der erste Bereich mittels des Heizstrahls bestrahlt wird.
Beispiel 17 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 16, ferner aufweisend: Verändern einer relativen Lage der Konvektionsbarriere und der Schmelze zueinander (z.B. mittels Nachführens der Konvektionsbarriere und/oder des Tiegels) basierend auf einer Veränderung eines Ist-Zustands der Schmelze, beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung und/oder eines Stellglieds, wobei das Verändern der relativen Lage (beispielsweise mittels Nachführens) beispielsweise ein Verschieben der Konvektionsbarriere und/oder ein Verschieben der Schmelze aufweist. Dies kann auch beispielsweise erfolgen, dass zur Konstanthaltung der Verdampfungsgeometrie der Tiegel derart angehoben wird, dass die Lage der Konvektionsbarriere und der Badoberfläche im Raum konstant bleibt.
Beispiel 18 ist eine Verdampfungsanordnung (beispielsweise betrieben gemäß einem der Beispiele 1 bis 17), aufweisend: einen Tiegel, der einen Hohlraum zum Aufnehmen einer zu verdampfenden Schmelze aufweist; eine Konvektionsbarriere, welche, in den Hohlraum eingebracht, zwischen einem ersten Bereich des Hohlraums und einem zweiten Bereich des Hohlraums angeordnet ist derart, dass zwischen der Konvektionsbarriere und einer Tiegelwand des Tiegels eine Durchgangsöffnung gebildet ist, welche den ersten Bereich mit dem zweiten Bereich fluidleitend verbindet, vorzugsweise eine Bestrahlungsvorrichtung aufweisend, welche eingerichtet ist zum Emittieren eines Heizstrahls in den ersten Bereich hinein, die Bestrahlungsvorrichtung weiter vorzugsweise aufweisend eine Heizstrahlquelle zum Bereitstellen des Heizstrahls und/oder eine Strahlführungsvorrichtung (z.B. ein Ablenksystem aufweisend) zum Führen des Heizstrahls in den ersten Bereich hinein.
Beispiel 19 ist die Verdampfungsanordnung gemäß Beispiel 18, wobei die Tiegelwand einen Boden des Tiegels bereitstellt und/oder wobei der Hohlraum auf einer der Tiegelwand gegenüberliegenden Seite freiliegt.
Beispiel 20 ist die Verdampfungsanordnung gemäß Beispiel 18 oder 19, die Konvektionsbarriere aufweisend: zumindest eine Barrierewand; und eine Barriere-Haltevorrichtung, welche eingerichtet ist, die Barrierewand derart in dem Hohlraum zu halten, dass zwischen der Barrierewand und der Tiegelwand des Tiegels die Durchgangsöffnung gebildet ist, welche den ersten Bereich mit dem zweiten Bereich fluidleitend verbindet.
Beispiel 21 ist die Verdampfungsanordnung gemäß Beispiel 20, wobei die Barriere-Haltevorrichtung ein Stellglied aufweist, das eingerichtet ist, in Antwort darauf angesteuert zu werden, eine Lage der Barrierewand relativ zu dem Tiegel zu verändern, vorzugsweise basierend auf einem (zumindest sensorisch erfassten) Ist-Zustand der Schmelze, wobei der Ist-Zustand beispielsweise ein Volumen und/oder eine Temperatur der Schmelze repräsentiert.
Beispiel 22 ist die Verdampfungsanordnung gemäß Beispiel 20 oder 21, wobei die Barriere-Haltevorrichtung die Tiegelwand berührt.
Beispiel 23 ist die Verdampfungsanordnung gemäß einem der Beispiele 18 bis 22, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, eine größere Temperaturbeständigkeit aufweist als die Tiegelwand.
Beispiel 24 ist die Verdampfungsanordnung gemäß einem der Beispiele 18 bis 23, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine (d.h. eine oder mehr als eine) Barrierewand davon, eine kleinere Bruchzähigkeit aufweist als die Tiegelwand.
Beispiel 25 ist die Verdampfungsanordnung gemäß einem der Beispiele 18 bis 24, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, eine kleinere Dicke aufweist als die Tiegelwand.
Beispiel 26 ist die Verdampfungsanordnung gemäß einem der Beispiele 18 bis 25, wobei die Tiegelwand den Hohlraum begrenzt.
Beispiel 27 ist die Verdampfungsanordnung gemäß einem der Beispiele 18 bis 26, wobei die Tiegelwand einen Abstand von dem ersten Bereich und/oder dem zweiten Bereich aufweist.
Beispiel 28 ist die Verdampfungsanordnung gemäß einem der Beispiele 18 bis 27, ferner aufweisend: eine Nachfütterungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, ein festes Material in den zweiten Bereich hinein zuzuführen.
Beispiel 29 ist die Verdampfungsanordnung gemäß einem der Beispiele 18 bis 28, ferner aufweisend: eine Blende (z.B. die Deckelblende), wobei die Konvektionsbarriere von der Blende weg erstreckt ist und/oder mittels der Blende gehalten wird, wobei die Blende beispielsweise mit dem Verdampfungstiegel zusammengefügt, den Hohlraum begrenzt, oder in dem Hohlraum angeordnet werden kann.
Beispiel 30 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 29, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich fluidleitend miteinander verbunden sind, vorzugsweise entlang eines Pfads, der an der Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, vorbei führt.
Beispiel 31 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 30, wobei der erste Bereich kleiner ist als der zweite Bereich.
Beispiel 32 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 31, wobei die Konvektionsbarriere von einer (vorzugsweise mittels mehr als einer Barrierewand der Konvektionsbarriere begrenzten) Durchgangsöffnung durchdrungen ist, in welcher der erste Bereich angeordnet ist.
Beispiel 33 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 32, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, aus einer ersten Richtung in die Schmelze hinein erstreckt ist und entlang einer zweiten Richtung längserstreckt ist, wobei eine Ausdehnung der Konvektionsbarriere entlang der ersten Richtung kleiner ist als entlang der zweiten Richtung.
Beispiel 34 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 33, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, in der Schmelze schwimmt bzw. wobei die Konvektionsbarriere in der Schmelze schwimmend gelagert ist.
Beispiel 35 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 34, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, eine kleinere mittlere Dichte aufweist, als die Schmelze.
Beispiel 36 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 35, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, und/oder der zweite Bereich zwei Abschnitte aufweisen, zwischen denen der erste Bereich angeordnet ist.
Beispiel 37 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 36, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, und/oder der zweite Bereich den ersten Bereich entlang eines in sich geschlossenen Pfads umlaufen.
Beispiel 38 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 37, wobei der zweite Bereich zwischen der Konvektionsbarriere und einer Tiegelwand des Tiegels angeordnet ist.
Beispiel 39 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 38, wobei die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, eine oder mehr als eine Platte aufweist.
Beispiel 40 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 39, wobei sich die Konvektionsbarriere, vorzugsweise zumindest eine Barrierewand davon, in den Tiegel hinein erstreckt.
Beispiel 41 ist das Verwenden einer Konvektionsbarriere (z.B. eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 40), welche in eine Schmelze eintaucht, zum Separieren eines ersten Oberflächenbereichs der Schmelze, der mittels eines Heizstrahls (z.B. Teilchenstrahls, vorzugsweise Elektronenstrahls, oder Laserstrahls) bestrahlt wird, von einem zweiten Oberflächenbereich der Schmelze (während der erste Oberflächenbereich der Schmelze mittels eines Heizstrahls, z.B. Teilchenstrahls, vorzugsweise Elektronenstrahls, oder Laserstrahls, bestrahlt wird).

Claims

Verfahren (100), aufweisend: • Bestrahlen (100a) einer Oberfläche (102) einer Schmelze (110), mittels eines Heizstrahls (23); • Separieren (100b) eines ersten Bereichs (102a) der Oberfläche (102), der mittels des Heizstrahls (23) bestrahlt wird, mittels einer Konvektionsbarriere (104) von einem zweiten Bereich (102b) der Oberfläche (102).
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Separieren (100b) derart erfolgt, dass eine Konvektion (401) von dem ersten Bereich (102a) zu dem zweiten Bereich (102b) gehemmt wird.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Konvektionsbarriere (104) in die Schmelze (110) teilweise hinein erstreckt.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schmelze (110) in einem Verdampfungstiegel (204) angeordnet ist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Separieren (100b) aufweist, dass die Konvektionsbarriere (104) zwischen dem ersten Bereich (102a) und dem zweiten Bereich (102b) angeordnet ist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Heizstrahl (23) einen Teilchenstrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, oder einen Laserstrahl aufweist.
Verdampfungsanordnung (200), aufweisend: • einen Verdampfungstiegel (204), der Hohlraum (204t) zum Aufnehmen einer zu verdampfenden Schmelze (110) aufweist; • eine Konvektionsbarriere (104), welche, in den Hohlraum (204t) eingebracht, zwischen einem ersten Bereich (110a) des Hohlraums (204t) und einem zweiten Bereich (110b) des Hohlraums (204t) angeordnet ist derart, dass zwischen der Konvektionsbarriere (104) und einer Tiegelwand des Verdampfungstiegels (204) eine Durchgangsöffnung gebildet ist, welche den ersten Bereich (110a) mit dem zweiten Bereich (110b) fluidleitend verbindet; • vorzugsweise eine Bestrahlungsvorrichtung (122) zum Emittieren eines Heizstrahls in den ersten Bereich (110a) hinein.
Verdampfungsanordnung (200) gemäß Anspruch 7, wobei die Konvektionsbarriere (104), vorzugsweise zumindest eine Barrierewand (104a, 104b) davon, aufweist: • eine größere Temperaturbeständigkeit als die Tiegelwand; und/oder • eine kleinere Bruchzähigkeit als die Tiegelwand; und/oder • eine kleinere Dicke als die Tiegelwand.
Verdampfungsanordnung (200) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, ferner aufweisend: eine Blende (602), mittels welcher die Konvektionsbarriere (104) gehalten wird.
Verdampfungsanordnung (200) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Tiegelwand einen Boden des Verdampfungstiegels (204) bereitstellt.
Verdampfungsanordnung (200) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, die Konvektionsbarriere (104) aufweisend: • zumindest eine Barrierewand (104a, 104b); und • eine Haltevorrichtung (220), welche eingerichtet ist, die Barrierewand (104a, 104b) derart in dem Hohlraum (204t) zu halten, dass zwischen der Barrierewand (104a, 104b) und der Tiegelwand des Verdampfungstiegels (204) die Durchgangsöffnung gebildet ist, welche den ersten Bereich (110a) mit dem zweiten Bereich (110b) fluidleitend verbindet.
Verwenden einer Konvektionsbarriere (104), welche in eine Schmelze (110) eintaucht, zum Separieren (100b) eines ersten Oberflächenbereichs (102a) der Schmelze (110), der mittels eines Heizstrahls (23) bestrahlt wird, von einem zweiten Oberflächenbereich (102b) der Schmelze (110).