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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Herstellung komplexer Schichten
aus mehreren verschiedenen Materialien und/oder Gemischen daraus in
einem einzigen Bedampfungsprozeß mit
einer Vakuumkammer, in der eine oder mehrere Verdampferstationen
angeordnet sind.
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Bekannt
sind verschiedene diskontinuierliche Bedampfungsquellen, die vor
Beginn der Bedampfung mit einer für den Bedampfungsprozeß mindestens
ausreichenden, zur Absicherung des Prozesses im Allgemeinen aber
zu groß bemessenen
Menge von Bedampfungsmaterial beschickt werden. Bei diesen Bedampfungsquellen
kann stets nur ein Material pro Bedampfungsprozeß eingesetzt werden.
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Andere
Bedampfungsquellen arbeiten mit kontinuierlicher Zufuhr von Bedampfungsmaterial. Diese
ist vor allem aus der Anwendung für Folienbedampfungen mittels
sogenannter Rollcoater bekannt. Bei diesen Anwendungen werden üblicherweise
alle in einer Reihe angeordneten Drahtvorschübe von außen über eine Drehdurchführung und
Kardangelenkwellen angetrieben. Ein Unterschied in der Geschwindigkeit
des Drahtvorschubs der einzelnen Vorschubsysteme ist nur mechanisch
durch unterschiedlich große
Antriebsräder
der einzelnen Vorschubsysteme zu realisieren. Bei den bekannten
kontinuierlichen Verdampfersystemen zur Folienbedampfung (vorzugsweise
mit Al) werden überwiegend
energieintensive Keramikschiffchen (verschiedener Legierungen) eingesetzt.
Keramikschiffchen verbrauchen üblicherweise
2 bis 4 kW je Schiffchen. Diese Energie wird überwiegend in Wärme umgesetzt.
Damit wäre
auch bei Kunststoffen mit guter Wärmebeständigkeit nach kurzer Bedampfungszeit
die zulässige
Temperaturbelastung erreicht oder überschritten.
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In
den letzten Jahren ist in der Entwicklung der Kunststoff-Metallisierung
im Hochvakuum, besonders durch die sich für die EMV-Beschichtungen anbietenden
Anwendungen, eine Tendenz zu immer dickeren Schichten zu erkennen.
Neben Al-Beschichtungen
ist auch die Anwendung von Cu- und NiCr-Schichten steigend.
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Die
thermische Belastbarkeit der in der Vergangenheit überwiegend
eingesetzten Kunststoffe (ABS, PC, PS) einerseits und die begrenzte
Kapazität
der verwendeten diskreten thermischen Verdampfer, meist Wolframwendeln
oder Keramikschiffchen, zur Aufnahme des zu verdampfenden Metalls
andererseits verhinderten eine massenhafte industrielle Nutzung
der Abscheidung dickerer Schichten.
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So
werden bis heute für
Applikationen wie MID's
oder lötfähige Schichten
galvanische Verfahren favorisiert. Der Einsatz der Galvanik bedingt
jedoch die Nutzung sogenannter „galvanikfähiger” Kunststoffe. Bei MID-Anwendungen
wurden die Leiterbahnen durch sogenannte 2K-Spritzgießtechnik mit
galvanikfähigen
Kunststoffen und die übrigen
Bereiche mit nicht galvanikfähigen
Kunststoffen ausgeführt.
Das Teil wird dann unmaskiert galvanisiert. Nachteile des Verfahrens
sind die hohen Kosten der benötigten
speziellen Spritzgießtechnik,
die auf galvanikfähige
Kunststoffe beschränkte
eingeschränkte Materialauswahl,
die chemische Beanspruchung des Kunststoffs durch die naßchemische
Behandlung, der hohe Kostenaufwand bei der Notwendigkeit nachträglicher Änderungen
und die Umweltbelastung durch die Galvanik.
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Eine
Kombination vakuumgestützter
Abscheidungen mit nachfolgender chemischer Schichtverdickung ist
mehrfach versucht worden. Obwohl die vakuumtechnisch abgeschiedene
Grundschicht meist ausreichende Haftung aufweist, ist nach der chemischen
Behandlung oft eine Reduzierung der Schichthaftung festzustellen,
die einen erhöhten Ausfallanteil
nach sich zieht.
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Durch
die Druckschrift
JP
05 234 890 A (Forming method for compound semiconductor
thin film layer) ist ein Verfahren zur Herstellung von Mehrschichtsystemen
mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Schichtdicke bekannt.
Die Beschichtungsmaterialien werden aus separaten Tiegeln verdampft.
So genannte Shutter verschließen
die Verdampfungsquellen, wenn die gewünschte Zusammensetzung oder
Schichtdicke erreicht ist. Die Beschichtungsmaterialien werden dabei
nicht kontinuierlich dem Verdampfer zugeführt.
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Die
Druckschriften
DE
198 42 576 A1 (Verfahren zur Beschichtung von Schüttgütern) und
DE 44 39 519 C1 (Vorrichtung
und Verfahren zum Vakuumbedampfen von Folien) beschreiben die kontinuierliche
Zuführung
von Beschichtungsmaterial in den Verdampfer mittels einer Drahtzuführung. Dabei
werden mehrere Verdampfer verwendet, die unterschiedliche Beschichtungsmaterialien
enthalten können.
Möglich
ist auch eine gleichzeitige zweiseitige Beschichtung mit verschiedenen
Beschichtungsmaterialien. Weiterhin beinhaltet die Druckschrift
DE 42 38 514 A1 (Verfahren
zum Beschicken eines Verdampferschiffchens für eine Vorrichtung zur Beschichtung
von Substraten) ein Verfahren, wobei der Draht von der Drahtzuführungsvorrichtung
aus über ein
motorisch angetriebenes Glied dem Verdampfer zugeführt wird.
Ein derartiges Glied ist beispielsweise eine mit einer Capstan-Welle
zusammenwirkende Transportrolle. Die Bedampfungsrate wird dabei
nicht über
die Zufuhr des Beschichtungsmaterials geregelt.
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Die
Druckschrift
DD 125 996
A (Verfahren zur Regelung der Bedampfungsrate) beschreibt ebenfalls
die Zuführung
des Beschichtungsmaterials mittels einer Drahtzuführung. Dabei
können
gleichzeitig mehrere Verdampfer gleichzeitig verwendet werden, wobei
die Zufuhrgeschwindigkeit des Beschichtungsmaterials für jeden
Verdampfer separat geregelt wird, so dass die gewünschte Schichtdickenverteilung
erhalten wird. Ein Bedampfen eines Substrats mit mehreren Materialien
ist nicht vorgesehen.
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Die
Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen,
die eine ein- oder mehrschichtige Bedampfung der Substrate in einem
einzigen Bedampfungsprozeß bei
gleichzeitiger Sicherstellung geringer thermischer Belastungen der
Substrate ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Dazu
werden bei den Vorrichtungen zur Herstellung komplexer Schichten
aus mehreren verschiedenen Materialien und/oder Gemischen daraus in
einem einzigen Bedampfungsprozeß mit
einer Vakuumkammer, in der eine oder mehrere Verdampferstationen
angeordnet sind, zunächst
die verschiedenen Bedampfungsmaterialien im Innern der Vakuumkammer
gespeichert, die Substrate in die Vakuumkammer eingebracht, die
Vakuumkammer evakuiert und alle sonstigen Vorbereitungen zur Bedampfung getroffen.
Zur Beschichtung der Substrate werden die Bedampfungsmaterialien
einem gemeinsamen Verdampfer oder einem Verdampfer je verwendetem Material
kontinuierlich zugeführt.
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Für eine Teilschicht,
die aus einem einzigen Bedampfungsmaterial bestehen soll, wird dem
Verdampfer das entsprechende Bedampfungsmaterial kontinuierlich
zugeführt.
Dabei wird die Zufuhrgeschwindigkeit so eingestellt, daß die gewünschte Bedampfungsrate
erzielt wird. Wenn die gewünschte Teilschichtdicke
erreicht ist, wird die Zufuhr gestoppt. Gegebenenfalls wird dieser
Vorgang für
eines oder mehrere andere Materialien wiederholt, auch die mehrfache
Verwendung von Materialien in verschiedenen Teilschichten ist möglich. Die
Verdampfung verschiedener Materialien kann aus einem gemeinsamen
Verdampfer oder aus je einem Verdampfer für ein oder mehrere Materialien
erfolgen.
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Für eine Teilschicht
aus einem Gemisch mehrerer Bedampfungsmaterialien werden die Bedampfungsmaterialien
kontinuierlich einem gemeinsamen Verdampfer oder je einem Verdampfer
je Material oder je einem Verdampfer für ein oder mehrere Materialien
zugeführt.
Die Zufuhrgeschwindigkeit wird für
jedes Material so eingestellt, daß die jeweils gewünschte Bedampfungsrate
entsprechend den angestrebten Anteilen der einzelnen Bedampfungsmaterialien
an dem Stoffgemisch erzielt werden. Die Zufuhr von Bedampfungsmaterialien
wird gestoppt, wenn die gewünschte
Schichtdicke erreicht ist. Diese Schritte können für beliebige Materialkombinationen beliebig
oft wiederholt werden oder/und im Wechsel mit Teilschichten aus
einem einzelnen Material ausgeführt
werden.
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Teilschichten
aus je einem einzelnen Bedampfungsmaterial und Teilschichten aus
Gemischen von Bedampfungsmaterialien können beliebig kombiniert werden,
so daß komplexe
Schichtaufbauten aus verschiedenen Materialien oder/und Gemischen
aus ihnen herstellbar sind.
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Wenn
der gewünschte
Gesamtschichtaufbau erreicht ist, wird der Bedampfungsprozeß beendet.
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Ein
oder mehrere Verdampfer werden kontinuierlich gleichzeitig oder/und
nacheinander mit verschiedenen Bedampfungsmaterialien beschickt,
wobei die Einrichtungen zur Zufuhr der Bedampfungsmaterialien einzeln
oder gemeinsam angetrieben oder/und angesteuert oder geregelt werden.
Substrate werden nacheinander oder/und gleichzeitig mit zwei oder
mehr verschiedenen Materialien ein- oder mehrschichtig bedampft,
indem dem oder den Verdampfern diese Materialien während ein
und desselben Bedampfungsprozesses abhängig vom gewünschten
Schichtaufbau einzeln nacheinander oder/und gleichzeitig zur Bildung
eines Stoffgemischs zugeführt
werden.
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Die
einzelnen Materialien werden gleichzeitig oder/und nacheinander
entweder dem gleichen Verdampfer oder je einem Verdampfer zugeführt. In dem
oder den Verdampfern werden die Bedampfungsmaterialien erschmolzen
und anschließend
das in der Schmelze vorliegende Material oder Materialgemisch, z.
B. eine Legierung aus zwei oder mehr Metallen, verdampft. Dabei
wird die Zusammensetzung des Stoffgemischs dadurch beeinflußt, daß die Zufuhrgeschwindigkeiten
der verschiedenen Bestandteile einzeln gesteuert werden. Werden
die Bedampfungsmaterialien in Drahtform verwendet, so besteht eine
weitere Steuerungsmöglichkeit
in der Variation der Drahtdurchmesser der verschiedenen Bedampfungsmaterialien.
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Die
Verwendung nur eines Verdampfers für Schichten aus einem Gemisch
setzt voraus, daß die Schmelzpunkte
der beteiligten Bedampfungsmaterialien relativ nahe beieinander
liegen. Bei Kombination von Bedampfungsmaterialien, für die dies
nicht zutrifft, ist eine echte Legierungsbildung nicht möglich, da
zunächst
immer der im Wirkungsbereich des Verdampfers befindliche Teil des
niederschmelzenden Materials verdampft wird und erst dann das höherschmelzende
Material so lange verdampft wird, bis wieder eine Portion des niederschmelzenden
Materials in den Wirkungsbereich des Verdampfers nachgeführt ist.
Es entsteht in diesem Fall ein multipler Schichtaufbau mit extrem
geringen Einzelschichtdicken (Quasi-Legierung).
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Zur
Bildung von Legierungen von Bedampfungsmaterialien mit stark unterschiedlichen Schmelz-
oder Siedepunkten werden diese Materialien vorzugsweise je einem
Verdampfer zugeführt,
so daß alle
beteiligten Materialien gleichmäßig kontinuierlich
verdampft werden, wobei durch Vermischung der Materialien in der
Dampfphase vor dem Niederschlag auf dem Substrat eine echte Legierung
entsteht.
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Falls
ein mehrschichtiger Aufbau gewünscht wird,
so wird das Material oder werden die Materialien dem oder den Verdampfern
nacheinander einzeln oder gleichzeitig zugeführt. Auf diese Weise läßt sich
eine Beschichtung, die aus mehreren Schichten unterschiedlichen
Materials aufgebaut ist, in einem einzigen Prozeß herstellen. Das Verhältnis der Schmelzpunkte
der einzelnen Bedampfungsmaterialien spielt dabei keine Rolle, wenn
für jedes
verwendete Material ein separater Verdampfer verwendet wird.
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Eine
Abwandlung dieser Verfahrensvariante besteht darin, den oder die
kontinuierlichen Verdampfer oder eigens hierfür angeordnete diskrete Verdampfer
vor Beginn des Prozesses mit einer definierten Menge eines Bedampfungsmaterials
zu beschicken. Diese Portion wird nun zu Beginn des Prozesses verdampft.
Anschließend
werden dem oder den Verdampfern ein oder mehrere Bedampfungsmaterialien
zugeführt
und so aufbauend auf die erste Teilschicht ein beliebiger mehrschichtiger
Aufbau hergestellt.
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Werden
zusätzliche
diskrete Verdampfereinrichtungen verwendet, so können außer Interface-Beschichtungen
auch Sperrschichten oder/und Korrosionsschutzschichten, vorzugsweise
mit NiCr, oder Au-Flash-Deckschichten abgeschieden werden.
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Weiterhin
können
komplexe Beschichtungen mit einer oder mehreren Teilschichten aus
einem einzelnen Material und einer oder mehreren Teilschichten aus
Gemischen mehrerer Materialien mit beliebig veränderlichen Gewichtsanteilen
der einzelnen Materialien hergestellt werden. Damit kann ein Substrat mit
zwei Teilschichten verschiedener Metalle und einer dazwischenliegenden
dritten Teilschicht einer Legierung der beiden Metalle (homogen
oder als Gradientenschicht) beschichtet werden, um eine bessere Verbindung
zwischen den Materialien zu erzielen.
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Für die Erzeugung
einer Gradientenschicht wird die Zufuhrgeschwindigkeit des einen
beteiligten Materials stetig erhöht,
während
die Zufuhrgeschwindigkeit des anderen Materials stetig abgesenkt
wird. Auf diese Weise entsteht ein für die haftfeste Verbindung
der beiden Bedampfungsmaterialien optimales Materialgemisch.
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Damit
können
komplexe Beschichtungen erzeugt werden, die aus mehreren Materialien
bestehen und dennoch in einem einzigen Prozeß hergestellt wurden. Bei Verwendung
entsprechender Sensorik und Regelungstechnik ist es möglich, das
Verfahren weitgehend zu automatisieren, z. B. indem die Teilschichtdicken
automatisch gemessen und in Abhängigkeit
von den gemessenen Werten die Zufuhr der einzelnen Bedampfungsmaterialien
so eingestellt oder geregelt wird, daß die gewünschten Teilschichten mit den
gewünschten
Zusammensetzungen entstehen. Hierdurch kann die Beschichtung der
Substrate signifikant verkürzt
und vereinfacht und der erforderliche Arbeitsaufwand minimiert werden,
wodurch Kostenvorteile erzielt werden.
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Beim
gleichzeitigen Verdampfen von zwei Bedampfungsmaterialien sollte
darauf geachtet werden, daß die
Verdampfungstemperaturen der beiden Stoffe möglichst dicht beieinander liegen,
da es sonst zu Inhomogenitäten
kommen kann. Durch gleichzeitiges Verdampfen solcher Metalle aus
je einem separaten Verdampfer ist es möglich, auch von Materialien
mit sehr unterschiedlichen Schmelz- und Siedepunkten Legierungsschichten
zu erzeugen. Durch die getrennte Regelbarkeit der Verdampfungsraten über die
Vorschubgeschwindigkeiten werden homogene Legierungsschichten erreicht.
Weiterhin kann durch die Einzelansteuerung die Schichtdickenverteilung über die
gesamte Beschichtungsanlage gezielt beeinflußt werden. Dazu werden die
Vorschubgeschwindigkeiten der an den Enden einer Reihe von Verdampferstationen
angeordneten Verdampferstationen höher gewählt, als die der nicht an den
Enden angeordneten, deren Emissionsbereiche sich mit denen der benachbarten
Verdampferstationen überschneiden.
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Dazu
kommt eine Vorrichtung zum Einsatz, die eine getrennt regelbare
Zufuhr verschiedener Materialien zum Verdampfer ohne die Notwendigkeit eines
Eingriffs von außen
ermöglicht.
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In
der Vakuumkammer einer Bedampfungsanlage befindet sich mindestens
eine Verdampferstation zur kontinuierlichen Verdampfung von Bedampfungsmaterialien
wie Metallen, Metalloxiden oder anderen geeigneten Stoffen.
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Die
Verdampferstation besteht aus einem oder mehreren an sich bekannten
Verdampfern wie beispielsweise Keramik-Schiffchen oder Wolframwendeln
sowie einer oder mehreren Speicher- und Zufuhreinrichtungen.
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Die
Speicher- und Zufuhreinrichtungen bestehen jeweils aus einem Materialdepot
zur Speicherung des Bedampfungsmaterials und einer mit diesem in
Wirkverbindung stehenden Antriebs- und Dosiereinheit. Die Speicher-
und Zufuhreinrichtungen beliefern den Verdampfer während des
Bedampfungsprozesses kontinuierlich mit Bedampfungsmaterial. Dabei
sind die einzelnen Antriebs- und Dosiereinheiten einzeln regelbar,
so daß jedes
der verwendeten Materialien separat dosiert werden kann. Hierzu
wird das Bedampfungsmaterial unter Ausnutzung der Schwerkraft oder
mit Hilfe von Elektromotoren, hydraulischen oder pneumatischen Antrieben
oder anderer geeigneter Fördereinrichtungen
aus dem Materialdepot dem oder den Verdampfern bedarfsweise zugeführt.
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Das
Materialdepot befindet sich innerhalb der Vakuumkammer und wird
vor Beginn des Beschichtungsprozesses befüllt. Das Materialdepot kann
beispielsweise als Bunker für
schüttfähige Granulate
oder Pulver oder als Drahtspule für drahtförmige Materialien ausgeführt sein.
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Die
Speicher- und Zufuhreinrichtungen bestehen vorzugsweise jeweils
aus einer drehbar gelagerten Drahtspule, einer von der Drahtspule
zu einem Walzenpaar verlaufenden rohrförmigen Drahtführung und
einem das Walzenpaar antreibenden vakuumfesten, geschwindigkeitsregelbaren
Elektromotor.
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Die
Speicher- und Zufuhreinrichtungen sind bezüglich des Verdampfers so angeordnet,
daß die von
ihnen geförderten
drahtförmigen
Bedampfungsmaterialien mittels der Drahtführung direkt in den Wirkungsbereich
des Verdampfers geleitet werden.
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Während des
Beschichtungsprozesses wird dem Materialdepot ständig die benötigte Menge
von Bedampfungsmaterial entnommen und mittels der Antriebs- und
Dosiereinheit dem Verdampfer zugeführt. Die Speicher- und Zufuhreinrichtungen
sind bezüglich
des Verdampfers so angeordnet, daß das von der Antriebs- und
Dosiereinheit geförderte
Bedampfungsmaterial direkt in den Wirkungsbereich des Verdampfers
geleitet wird.
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Hierdurch
sind – bei
Zufuhr nur eines Materials – sowohl
monolithische Schichten als auch – bei gleichzeitiger Zufuhr
mehrerer Materialien – Schichten
aus Stoffgemischen möglich,
wobei Aufbauten aus monolithischen Schichten und Gemischschichten
möglich
sind und wobei die Gemischschichten veränderliche Zusammensetzungen
aufweisen können.
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Mit
Hilfe der Vorrichtung ist die Herstellung komplexer Schichten aus
mehreren verschiedenen Materialien oder/und Gemischen daraus in
einem Bedampfungsprozeß,
das heißt
ohne Unterbrechung des Prozesses zur Neubeschickung der Anlage mit Bedampfungsmaterialien,
möglich.
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Ein
weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, daß die Antriebs-
und Dosiereinheiten im Inneren der Vakuumkammer angeordnet sind,
so daß auf kostenintensive
Vakuumdurchführungen
verzichtet werden kann.
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Des
Weiteren ist es möglich,
Substrate aus Kunststoffen mit komplexen Beschichtungen der oben
genannten Art zu versehen, wobei die thermische Belastung der Substrate
sehr gering ist.
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Nachfolgend
soll anhand von Zeichnungen eine vorteilhafte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben werden.
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Dabei
zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Verdampferstation
in Seitenansicht und Draufsicht
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2 eine
Bedampfungsanlage mit einer Anordnung mehrerer Verdampferstationen
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In 1 ist
eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verdampferstation 2 in
Seitenansicht und Draufsicht dargestellt. Jede Verdampferstation 2 besteht
aus einer diskreten Verdampfungseinrichtung und einer kontinuierlichen
Verdampfungseinrichtung.
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Die
diskrete Verdampfungseinrichtung besteht aus einem thermischen Verdampfer 3,
z. B. einem Keramikschiffchen, und den zugehörigen elektrischen Anschlüssen 4.
Die diskrete Verdampfungseinrichtung kann vorteilhaft genutzt werden,
um vor Beginn der kontinuierlichen Bedampfung eine definierte Menge
eines Bedampfungsmaterials zu verdampfen (z. B. eine NiCr-Beschichtung
als Interfaceschicht) oder/und nach Beendigung der Bedampfung aus
der kontinuierlichen Verdampfungseinrichtung eine Schicht eines
anderen Bedampfungsmaterials (z. B. eine NiCr-Beschichtung oder
ein Au-Flash als Korrosionsschutzschicht) aufzubringen.
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Die
kontinuierliche Verdampfungseinrichtung besteht aus einem thermischen
Verdampfer 5, z. B. in Form einer Wolfram-Trichterwendel,
mit den zugehörigen
elektrischen Anschlüssen 6 und
zwei Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7. Die Speicher-
und Zufuhreinrichtungen 7 bestehen aus je einer drehbar
gelagerten Drahtspule 8 zur Aufnahme drahtförmigen Bedampfungsmaterials,
einem Walzenpaar 9 zum Abziehen des Drahtes von der Drahtspule 8 und
Zufuhr des Drahtes zum Verdampfer 5 sowie einem mit einer Walze
des Walzenpaares 9 in Wirkverbindung stehenden, vakuumfesten,
geschwindigkeitsregelbaren Mikro-Getriebemotor 10 und einer
rohrförmigen Drahtführung 11 zur
gezielten Zufuhr des Bedampfungsmaterials zum Walzenpaar 9.
Der Vorteil der verwendeten Wolfram-Trichterwendeln besteht darin, daß sie verglichen
mit Keramikschiffchen bei gleicher oder besserer Verdampfungsrate
deutlich weniger Energie benötigen.
Eine Trichterwendel verbraucht nur etwa 0,5 bis 0,8 kW.
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Die
Drahtführung 11 ist
als Metallrohr ausgeführt,
das den von der Drahtspule 8 abgewickelten Draht aufnimmt
und aufgrund seiner räumlichen
Anordnung bis kurz vor das Walzenpaar 9 führt. Der Mikro-Getriebemotor 10 treibt
das Walzenpaar 9 an, wodurch der auf der Drahtspule 8 gespeicherte
Draht durch die Drahtführung 11 gezogen
und durch dafür vorgesehene
Bohrungen in einer kühlbaren
Blende 12 dem kontinuierlichen Verdampfer 5 zugeleitet wird.
Die kühlbare
Blende 12 ist zwischen den Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 und
den Verdampfern 3, 5 angeordnet, um die Speicher-
und Zufuhreinrichtungen 7 vor ungewolltem Bedampfen und Aufbeizen
zu schützen.
Dem gleichen Zweck dient eine schwenkbare Blende 13, die
in verschiedenen Schwenkstellungen wahlweise die kontinuierlichen Verdampfer 5 und
die Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 oder nur die Speicher-
und Zufuhreinrichtungen 7 abschirmt und die außerdem in
eine Schwenkstellung gebracht werden kann, die den Zugriff auf die
Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 ermöglicht. Bei der Verwendung
mehrerer Verdampferstationen 2 in einer Reihe können anstelle
von je einer kühlbaren
Blende 12 und einer schwenkbaren Blende 13 je
Verdampferstation 2 zweckmäßig je eine kühlbare Blende 12 und
eine schwenkbare Blende 13 für alle Verdampferstationen 2 verwendet
werden.
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Die
Geschwindigkeit der Mikro-Getriebemotoren 10 der Speicher-
und Zufuhreinrichtungen 7 ist mittels Bedienelementen oder/und
Regel- bzw. Steuereinrichtungen, die mit den Mikro-Getriebemotoren 10 in
Wirkverbindung stehen, an die gewünschte Verdampfungsrate anpaßbar.
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Dadurch
können
nacheinander oder gleichzeitig zwei verschiedene Bedampfungsmaterialien
in einem Verdampfer 5 verdampft werden. In Kombination
mit der Eigenschaft der erfindungsgemäßen Verdampferstation 2,
jede Speicher- und Zufuhreinrichtung 7 getrennt regeln
zu können,
ergibt sich die Möglichkeit,
praktisch jedes beliebige Legierungsverhältnis der Bedampfungsmaterialien
zu erreichen. Die Auswahl der Bedampfungsmaterialien ist jedoch durch
deren Bereitschaft zur Bildung einer Legierung mit Wolfram beschränkt. So
sind z. B. Al und Ni für das
Verdampfen aus Wolframwendeln nicht geeignet.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch die Vakuumkammer 1 einer Bedampfungsanlage. Im Innern
der Vakuumkammer 1 sind mehrere Verdampferstationen 2 in
einer Reihe angeordnet.
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Weiterhin
ist in der Vakuumkammer 1 eine kühlbare Blende 12 in
Form einer senkrecht stehenden Blechwand mit aufgelöteten Kühlmittelleitungen so
angebracht, daß sie
sich zwischen den Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 und
den Verdampfern 3, 5 aller Verdampferstationen 2 erstreckt.
Durch diese Anordnung werden die Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 vor
der von den Verdampfern 3, 5 ausgehenden Wärme und
vor unerwünschtem
Bedampfen geschützt.
Zur Zufuhr des Bedampfungsmaterials zu den kontinuierlichen Verdampfern 5 weist
die kühlbare
Blende 12 an den entsprechenden Stellen Bohrungen auf.
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In
der Vakuumkammer 1 ist weiterhin eine schwenkbare Blende 13 so
angeordnet, daß damit alle
vorhandenen Verdampferstationen 2 abgeschirmt werden können. In
einer ersten Schwenkstellung schirmt die schwenkbare Blende 13 sowohl
die Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 als auch die kontinuierlichen
Verdampfer 5 aller Verdampferstationen 2 vor ungewollter
Bedampfung durch die diskreten Verdampfer 3 ab. In einer
zweiten Schwenkstellung befindet sich die schwenkbare Blende 13 nur über den
Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7, so daß diese
neben der durch die kühlbare
Blende 12 bewirkten Abschirmung auch gegen indirektes Bedampfen
geschützt
sind, wenn die kontinuierlichen Verdampfer 5 aktiv sind.
In einer dritten Schwenkstellung läßt die schwenkbare Blende 13 den
manuellen Zugriff auf die Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 zu,
so daß in
dieser Schwenkstellung Wartungs- bzw. Befüllvorgänge an den Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 vorgenommen
werden können.
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Das
Bedampfungsmaterial für
die diskreten Verdampfer 3 wird vor Beginn des Bedampfens
im Verdampfer 3 angeordnet. Beim Anlegen einer Spannung
wird das Material aus dem Verdampfer 3 erschmolzen und
anschließend
verdampft.
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Das
drahtförmige
Bedampfungsmaterial für die
kontinuierlichen Verdampfer 5 ist auf zwei Drahtspulen 8 je
Verdampferstation 2 gespeichert. Das Ende jedes Drahtes
wird durch die jeweilige Drahtführung 11 zum
entsprechenden Walzenpaar 9 geführt. Anschließend passiert
der Draht einen zwischen den Walzen befindlichen Spalt, dessen Breite so
eingestellt wird, daß zwischen
den Walzen und dem Draht Reibschluß entsteht. Wird der zu einem Walzenpaar 9 gehörige Mikro-Getriebemotor 10 eingeschaltet,
so beginnt sich das Walzenpaar 9 zu drehen. Durch den Reibschluß wird der
Draht von der Drahtspule 8 abgewickelt. Nach dem Passieren
der Drahtführung 11 und
des Walzenpaares 9 tritt das Ende des Drahtes durch eine
Bohrung in der kühlbaren
Blende 12 und trifft auf deren anderer Seite in die obere Öffnung des
kontinuierlichen Verdampfers 5 der jeweiligen Verdampferstation 2.
Dort wird das Material erschmolzen und anschließend verdampft. Durch die getrennte
Regelung der Zufuhrgeschwindigkeit der beiden Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 jeder
Verdampferstation 2 können
die beiden gespeicherten Materialien separat (nur ein Material zur Zeit
wird zugeführt,
es entsteht eine monolithische Schicht) oder gemeinsam mit konstanter
Zufuhrgeschwindigkeit (es entsteht eine Gemischschicht mit konstantem
Mischungsverhältnis)
oder gemeinsam mit variabler Zufuhrgeschwindigkeit (es entsteht
eine Gemischschicht mit veränderlichem
Mischungsverhältnis
= Gradientenschicht) dem kontinuierlichen Verdampfer 5 zugeführt werden.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtungen nach 1 und 2 wird
nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen
erläutert,
ohne die Funktion auf die Beispiele zu beschränken.
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Ausführungsbeispiel
1: Herstellen eines komplexen Mehrschichtaufbaus
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- 1. NiCr (diskontinuierlich)
- 2. Sn (kontinuierlich)
- 3. Sn + Cu (kontinuierlich, veränderliche Zusammensetzung)
- 4. Cu (kontinuierlich)
- 5. NiCr (diskontinuierlich)
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Die
diskreten Verdampfer aller Verdampferstationen 2 werden
mit NiCr-Material beschickt, auf der ersten Drahtspule jeder Verdampferstation 2 befindet
sich Sn-Draht, auf der zweiten Cu-Draht. Nach Einbringen der Verdampferstationen 2 und
der Substrate in die Vakuumkammer 1 wird diese evakuiert.
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Zu
Beginn des Bedampfungsprozesses wird aus den diskreten Verdampfern 3 NiCr
verdampft, bis auf den Substraten eine Teilschicht der gewünschten Dicke
abgeschieden ist. Die Menge Verdampfungsmaterial pro diskretem Verdampfer 3 ist
so bemessen, daß am
Ende dieses Verfahrensschritts noch etwa die Hälfte davon vorhanden ist. Die NiCr-Schicht dient als
Haftvermittler für
die folgenden Schichten. Während
dieses Teilprozesses befindet sich die schwenkbare Blende 13 in
der ersten Schwenkstellung, so daß sowohl die Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 als
auch die kontinuierlichen Verdampfer 5 abgeschirmt sind.
Dann werden die diskreten Verdampfer 3 abgeschaltet und
die schwenkbare Blende 13 in die zweite Schwenkstellung
bewegt. Jetzt sind nur noch die Speicher- und Zufuhreinrichtungen 7 abgeschirmt,
die kontinuierlichen Verdampfer 5 liegen frei.
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Anschließend werden
die kontinuierlichen Verdampfer 5 aller Verdampferstationen 2 eingeschaltet.
Wenn die erforderliche Temperatur erreicht ist, werden die Mikro-Getriebemotoren 10 eingeschaltet,
die den Draht von den ersten Drahtspulen 8 aller Verdampferstationen 2 abziehen.
Der Sn-Draht wird den kontinuierlichen Verdampfern 5 zugeführt, bis
eine Teilschichtdicke der gewünschten
Dicke erreicht ist. Es handelt sich um eine monolithische Sn-Schicht.
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Nun
werden auch die Mikro-Getriebemotoren 10 eingeschaltet,
die den Draht von den zweiten Drahtspulen 8 aller Verdampferstationen 2 abziehen. Sn-Draht
und Cu-Draht werden den kontinuierlichen Verdampfern 5 gleichzeitig
zugeführt.
Die Zufuhrgeschwindigkeit der für
die Sn-Zufuhr verantwortlichen Mikro-Getriebemotoren 10 wird
dabei kontinuierlich bis auf Null abgesenkt, während die Zufuhrgeschwindigkeit
der für
die Cu-Zufuhr verantwortlichen Mikro-Getriebemotoren 10 kontinuierlich
von Null bis zum gewünschten
Endwert hochgefahren wird. Bei der entstehenden Teilschicht handelt
sich um eine Cu-Sn-Legierungsschicht, bei der die Legierungsanteile
sich kontinuierlich verändern,
d. h. um eine Gradientenschicht. Der Vorteil der Gradientenschicht
besteht in der besseren Haftung der darüber und darunter befindlichen
monolithischen Schichten.
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Nach
dem Abschalten der für
die Sn-Zufuhr verantwortlichen Mikro-Getriebemotoren 10 wird
den kontinuierlichen Verdampfern 5 nur noch Cu zugeführt, bis
eine Teilschicht der gewünschten
Dicke reinen Kupfers erreicht ist. Danach werden die kontinuierlichen
Verdampfer 5 abgeschaltet und die schwenkbare Blende 13 in
die erste Schwenkstellung zurückbewegt.
Dadurch sind auch die kontinuierlichen Verdampfer 5 wieder
vor Wärmeeinwirkung
und Bedampfen geschützt.
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Abschließend wird
nochmals aus den diskreten Verdampfern 3 NiCr verdampft,
bis auf den Substraten eine Teilschicht der gewünschten Dicke abgeschieden
ist. Die NiCr-Schicht
dient als Korrosionsschutzschicht. Nach Beendigung dieses Verfahrensschritts
werden die diskreten Verdampfer 3 abgeschaltet und die
schwenkbare Blende 13 in die dritte Schwenkstellung bewegt,
so daß nach
Rückführung des
Vakuums und Öffnung
der Vakuumkammer 1 Wartungs- und Befüllarbeiten durchgeführt werden können.
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Ausführungsbeispiel
2: Herstellen eines Mehrschichtaufbaus mit einer Sperrschicht zwischen
zwei monolithischen Schichten
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- 1. Optional: NiCr (diskontinuierlich)
- 2. Ag (kontinuierlich)
- 3. NiCr (diskontinuierlich)
- 4. Cu (kontinuierlich)
- 5. Optional: NiCr (diskontinuierlich)
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Zunächst erfolgt
die Beschickung der Verdampfer 3, 5 mit Bedampfungsmaterial
sowie die sonstigen Vorbereitungsarbeiten analog zu Ausführungsbeispiel
1. Die schwenkbare Blende wird während
des gesamten Prozesses in die jeweils benötigte Schwenkstellung gebracht,
d. h. in die erste Schwenkstellung, wenn die diskreten Verdampfer 3 aktiv
sind und in die zweite Schwenkstellung, wenn die kontinuierlichen
Verdampfer 5 aktiv sind.
-
Bedarfsweise
wird analog zu Ausführungsbeispiel
1 zunächst
eine Haftvermittlungsschicht aus NiCr hergestellt.
-
Anschließend wird
aus den kontinuierlichen Verdampfern eine Ag-Schicht der gewünschten
Dicke aufgedampft.
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Im
nächsten
Verfahrensschritt wird aus den diskreten Verdampfern 3 eine
NiCr-Schicht der gewünschten
Dicke aufgedampft. Diese Schicht verhindert die Diffusion von Ag-Atomen in die Cu-Schicht.
-
Danach
wird aus den kontinuierlichen Verdampfern eine Cu-Schicht der gewünschten
Dicke aufgedampft.
-
Bedarfsweise
wird analog zu Ausführungsbeispiel
1 abschließend
eine Korrosionsschutzschicht aus NiCr hergestellt.
-
Ausführungsbeispiel
3: Herstellen einer dicken monolithischen Schicht
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- 1. Optional: NiCr (diskontinuierlich)
- 2. Cu (kontinuierlich)
- 3. Optional: NiCr (diskontinuierlich)
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Zunächst erfolgt
die Beschickung der Verdampfer 3, 5 mit Bedampfungsmaterial
sowie die sonstigen Vorbereitungsarbeiten analog zu Ausführungsbeispiel
1. Die schwenkbare Blende wird während
des gesamten Prozesses in die jeweils benötigte Schwenkstellung gebracht,
d. h. in die erste Schwenkstellung, wenn die diskreten Verdampfer 3 aktiv
sind und in die zweite Schwenkstellung, wenn die kontinuierlichen
Verdampfer 5 aktiv sind.
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Bedarfsweise
wird analog zu Ausführungsbeispiel
1 zunächst
eine Haftvermittlungsschicht aus NiCr hergestellt.
-
Anschließend wird
aus den kontinuierlichen Verdampfern eine Cu-Schicht der gewünschten
Dicke aufgedampft.
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Bedarfsweise
wird analog zu Ausführungsbeispiel
1 abschließend
eine Korrosionsschutzschicht aus NiCr hergestellt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist erstmals die Herstellung dicker Kupferschichten in einem einzigen
Prozeß möglich. Bei
der herkömmlichen
(diskontinuierlichen) Bedampfung in mehreren Teilprozessen zur Erreichung
dicker Schichten kommt es später
häufig
zur Ablösung
einzelner Teilschichten. Bei der Beschichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. Vorrichtung wird eine festhaftende Schicht erzielt.