DE19523529A1 - Einrichtung zum Hochrate-Elektronenstrahlbedampfen breiter Substrate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Hochrate-Elektronenstrahlbedampfen breiter, bewegter Substrate unter Verwendung einer Magnetfalle zwischen Ver­ dampfer und Substrat. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Hochrate-Elektronenstrahlbedampfen breiter Bänder mit Schichten aus Metallen oder che­ mischen Verbindungen, insbesondere das Bedampfen von Bändern aus tempera­ turempfindlichen und elektrisch isolierenden Materialien wie Kunststoffolien, Pa­ pier, Karton, Textilien.

Es ist bekannt, die am Verdampfungsgut rückgestreuten Elektronen durch ein starkes Magnetfeld am Auftreffen auf das Substrat zu hindern, um die damit ver­ bundene zusätzliche Erwärmung oder elektrostatische Aufladung der Substrate zu beschränken.

Beim Elektronenstrahlverdampfen mit kleineren Raten werden sogenannte Trans­ verse-Elektronenstrahlverdampfer mit magnetischer 270°-Umlenkung des Elek­ tronenstrahls verwendet. Durch das dafür erforderliche Magnetfeld werden auch die rückgestreuten Elektronen weitgehend am Erreichen des zu beschichtenden Substrates gehindert. Derartige Verdampfer haben nur eine geringe räumliche Ausdehnung. Für das Beschichten breiter Substrate können zwar mehrere Ver­ dampfer nebeneinander angeordnet werden, aber es wird wegen des Ratemaxi­ mums über jedem Verdampfer nur eine unbefriedigende Schichtdickengleichmä­ ßigkeit erreicht. Außerdem sind nur relativ geringe Verdampfungsraten möglich. Schließlich können derartige Verdampfer wegen der fehlenden Druckentkopplung zwischen Elektronenstrahlerzeugung und Verdampfung nicht für das reaktive Verdampfen bei hohen Reaktivgasdrücken eingesetzt werden.

Zur Verbesserung der Schichtdickengleichmäßigkeit und Erzielung wesentlich höherer Verdampfungsraten und zur reaktiven Verdampfung bei hohen Drücken ist es bekannt, Elektronenstrahl-Linienverdampfer zu verwenden. In diesem Fall wird der Elektronenstrahl in einer Axial-Elektronenkanone erzeugt und mittels ei­ nes Ablenksystems mit hoher Frequenz linienförmig auf der Oberfläche des Ver­ dampfungsgutes abgelenkt, das sich im allgemeinen über die gesamte Breite des zu beschichtenden Substrates erstreckt. Es ist auch bekannt, bei derartigen Elek­ tronenstrahl-Linienverdampfern ein starkes Magnetfeld, eine sogenannte Magnet­ falle, oberhalb des Verdampfungsgutes anzuordnen, um das Auftreffen rückge­ streuter Elektronen auf das Substrat zu reduzieren (DD-WP 204 947, DD-WP 237 526 A1). Dabei wird der Elektronenstrahl unter einem bestimmten Winkel in das annähernd horizontale Magnetfeld eingeschossen, so daß er auf eine schrauben­ förmige Bahn gezwungen wird und nach etwa einer Viertel-Schraubendrehung auf die Oberfläche des Verdampfungsgutes auftrifft. Für das Erzeugen einer geraden Ablenklinie auf der Oberfläche des Verdampfungsgutes ist es erforderlich, daß der Elektronenstrahl in jeder Ablenkphase unter dem gleichen Winkel in das hori­ zontale Magnetfeld eintritt. Das kann durch Anordnen eines vertikalen magneti­ schen Sektorfeldes (DD-WP 204 947) oder eines vertikalen Magnetfeldes mit ört­ lich verschiedener Feldstärke (DD-WP 237 526 A1) zwischen Elektronenkanone und Magnetfalle erreicht werden.

Trotz optimaler Gestaltung dieser Hilfsfelder ergeben sich Grenzen bezüglich der erreichbaren Länge der Ablenklinien und somit der Breite der zu beschichtenden Substrate. Insbesondere beim Bedampfen mit sehr hohen Raten und beim reakti­ ven Bedampfen ist der Totaldruck in der Bedampfungskammer so hoch, daß es zu Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahl und Restgas kommt. In der Um­ gebung des Elektronenstrahls entsteht ein Plasma, welches zur Streuung und zur Leistungsdichteverringerung des Elektronenstrahls führt. Dieser Effekt ist um so stärker, je größer der Abstand zwischen der Elektronenkanone und dem Auftreff­ punkt des Elektronenstrahls auf dem Verdampfungsgut ist. Für die Erzeugung einer hohen und gleichmäßigen Verdampfungsrate gibt es somit eine Grenze für die maximale Länge der Ablenklinie, d. h. für die Breite der zu beschichtenden Substrate.

Es ist weiterhin bekannt, bei Verwendung von Elektronenstrahl-Linienverdampfern ohne Magnetfalle größere Beschichtungsbreiten durch lückenloses Aneinander­ reihen von mehreren Ablenklinien zu erreichen. Auch bei Elektronenstrahl-Linienverdampfern mit Magnetfalle ist ein lückenloses Aneinanderreihen der Ab­ lenklinien zunächst naheliegend. Versuche und Untersuchungen zeigten jedoch, daß diese Lösung nach dem bisherigen Erkenntnisstand nicht praktikabel ist, da die geometrische Länge einer Magnetfalle zur Erzeugung einer geraden Ab­ lenklinie stets größer als die Länge der erzeugten Ablenklinie ist. Anhand der Fig. 1 soll dies erläutert werden. Sie zeigt in der Draufsicht zwei lückenlos aneinandergereihte Elektronenstrahl-Linienverdampfer mit Magnetfalle entsprechend dem Stand der Technik (DD-WP 237 526 A1). Die in den Elektro­ nenkanonen 1, 1′ erzeugten und horizontal abgelenkten Elektronenstrahlen 2, 2′ werden durch das Magnetfeld 3 der durch die Polschuhe 4, 5 gebildeten Magnet­ falle 6 auf den Verdampfertiegel 7 gelenkt und bilden die zwei Ablenklinien 8, 8′. Im Polschuh 5 ist ein horizontaler Spalt 9 eingebracht, durch welchen die horizon­ tal abgelenkten Elektronenstrahlen 2, 2′ in das Magnetfeld 3 eintreten. Für die Erzeugung gerader Ablenklinien 8, 8′ muß der Eintrittswinkel α beider Elektro­ nenstrahlen 2, 2′ in das Magnetfeld 3 in jeder Ablenkphase den gleichen Wert besitzen, obwohl die Eintrittswinkel β₁₁. . .β_1n des Elektronenstrahls 2 und die Ein­ trittswinkel β₂₁. . .β_2n des Elektronenstrahls 2′ in jeder Ablenkphase unterschied­ lich sind. Entsprechend dem bekannten Stand der Technik kann das erreicht wer­ den, indem im horizontalen Spalt des Polschuhs 5 ein örtlich veränderliches verti­ kales Magnetfeld durch individuell erregbare Magnetspulen 10 erzeugt wird. Beim Aneinanderreihen von zwei Elektronenstrahl-Linienverdampfern mit Magnet­ falle 6 ergibt sich nun das Problem, daß an der Anschlußstelle zwischen den bei­ den benachbarten Systemen der Umlenkwinkel im vertikalen Spalt-Magnetfeld für den Elektronenstrahl 2 einen völlig anderen Wert (180° -α -β_1n) als für den Elek­ tronenstrahl 2′ (180° -α -β₂₁) haben muß. Ein ständiges Umschalten des vertikalen Magnetfeldes an dieser Stelle ist wegen der erforderlichen hohen Frequenz der horizontalen Strahlablenkung und der hohen Induktivität der Magnetspulen 10 nicht möglich. Das bedeutet, daß die beiden Elektronenstrahlen 2, 2′ im Spalt des Polschuhs 5 einen relativ großen Abstand voneinander haben müssen und ein unmittelbares Aneinanderreihen der Ablenklinien 8, 8′ nicht möglich ist. Diese Tatsache ist die Ursache dafür, daß bisher die Realisierung von Elektronenstrahl-Linienverdampfern mit Magnetfalle 6 für Beschichtungsbreiten von wesentlich mehr als einem Meter nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Hochrate-Elektronenstrahlbedampfen breiter Substrate mit Elektronenstrahl-Linienverdampfer und Magnetfalle zu schaffen, mit der beliebig breite Substrate mit hoher Schichtdickengleichmäßigkeit bedampft werden können. Es sollen meh­ rere Elektronenstrahl-Linienverdampfer mit Magnetfalle so nebeneinander ange­ ordnet sein, daß sich die einzelnen Ablenklinien lückenlos oder auch überlappend aneinander anschließen. Als Elektronenkanonen sollen Axialkanonen verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß durch die wechselseitig versetzte Anordnung der Elektronenkanonen zu beiden Seiten des Verdampfers, längs der Magnetfalle das lückenlose oder sogar überlappende Aneinandereihen von Ablenklinien möglich wird. Diese Lösung ist nur möglich, wenn erfindungsge­ mäß die durch die einander gegenüberliegenden Polschuhe eingeschossenen und horizontal abgelenkten Elektronenstrahlen parallel zur Ablenklinie eine gleichsinnig gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufweisen. Durch die wech­ selseitige Anordnung der Elektronenkanonen längs der beiden gegenüberliegen­ den Polschuhe der Magnetfalle können beliebig viele Ablenklinien lückenlos ne­ beneinander angeordnet und damit beliebig breite Substrate beschichtet werden.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es auch möglich, die einzelnen Ab­ lenklinien nicht nur lückenlos oder überlappend, sondern auch mit geringen Ab­ ständen zueinander aneinanderzureihen. Dadurch lassen sich beliebig breite Substrate mit beliebigen Schichtdickenprofilen quer zur Bewegungsrichtung des Substrates bedampfen.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In den zugehö­ rigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Einrichtung zum Elektronenstrahlbedampfen breiter Substrate im horizontalen Schnitt,

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch die Einrichtung gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 2 und 3 gezeigte Einrichtung dient zum Bedampfen von breiter Kunst­ stoffolie mit Aluminium.

An einem Rezipienten 11 sind beidseitig je zwei Elektronenkanonen 12; 12′, die einen mit bekannten Mitteln ablenkbaren Elektronenstrahl 13; 13′ erzeugen, ge­ geneinander versetzt horizontal angeflanscht. Ein keramischer Verdampfertiegel 14, in dem sich das zu verdampfende Verdampfungsgut 15 (im Beispiel Alumini­ um) befindet, ist quer zum Substrat, der Kunststoffolie 16, angeordnet. Die Kunststoffolie 16 wird über eine Kühlwalze 17 mittels eines Bandlautwerkes (nicht gezeichnet) durch den Verdampfungsraum geführt. Der Verdampfertiegel 14 ist von einer an sich bekannten Magnetfalle 18 umgeben. Die zu beiden Seiten den Verdampfertiegel 14 überragenden Polschuhe 19; 19′ der Magnetfalle 18 haben in gleicher Höhe mit der Achse der Elektronenkanonen 12; 12′ Spalte 20; 20′. Diese Spalte 20; 20′ sind in Längsrichtung so ausgedehnt und angeordnet, daß die Elektronenstrahlen 13; 13′ ungehindert im gesamten Ablenkbereich auf das Verdampfungsgut 15 auftreffen können, und zwar derart, daß sich die Ablenklini­ en 21 zu einer Linie aneinanderreihen.

Die horizontal abgelenkten Elektronenstrahlen 13; 13′ jeder Elektronenkanone 12; 12′ treten durch die Spalte 20; 20′ in den Polschuhen 19; 19′ in das durch die Ma­ gnetspulen 22 erzeugte Magnetfeld 23 der Magnetfalle 18 ein und werden von diesem in an sich bekannter Weise nach unten auf die Oberfläche des Verdamp­ fungsgutes 15 gelenkt. Durch geeignete Erregung der Magnetspulen 24 im Be­ reich der Spalte 20; 20′ treten die Elektronenstrahlen 13; 13′ in jeder Ablenkphase mit dem gleichen Winkel α bzw. γ in das Magnetfeld 23 ein. Die Eintrittswinkel α bzw. γ werden so eingestellt, daß die einzelnen Ablenklinien 21 auf einer Ge­ raden in Längsrichtung und mittig auf dem Verdampfungsgut 15 verlaufen. Der Verdampfertiegel 14, die Polschuhe 19; 19′ sowie die Elektronenkanonen 12; 12′ sind symmetrisch zur Tiegelachse angeordnet, so daß die Eintrittswinkel α; γ an beiden Polschuhen 19; 19′ gleich sind.

Für die Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es wichtig, daß die Geschwindigkeitskomponente aller in das Magnetfeld 23 eintretenden Elektro­ nenstrahlen 13; 13′ parallel zur Tiegellängsachse den gleichen Richtungssinn aufweisen und so gerichtet sind, daß die Elektronenstrahlen 13; 13′ durch das Magnetfeld 23 nach unten auf das Verdampfungsgut 15 gelenkt werden. Die Län­ gen der einzelnen Ablenklinien 21 können je nach der gewünschten Schicht­ dickenverteilung auf der Kunststoffolie 16 durch die Amplituden der horizontalen Strahlablenkung in den Elektronenkanonen 12; 12′ so eingestellt werden, daß sich die einzelnen Ablenklinien 21 entweder lückenlos aneinanderreihen oder sich überlappen; sie können aber auch einen kleinen definierten Abstand vonein­ ander haben. Diese Einstellung erfolgt in einer Weise, daß einerseits eine hohe Schichtdickengleichmäßigkeit auf der Kunststoffolie 16 erzielt und andererseits ein Verspritzen von Verdampfungsgut 15 an den Berührungspunkten der Ab­ lenklinien 21 vermieden wird.

Claims (1)

1. Einrichtung zum Hochrate-Elektronenstrahlbedampfen breiter Substrate, bestehend aus einem Linienverdampfer mit einer Magnetfalle, die oberhalb des Verdampfungsgutes ein in Richtung der Substratbewegung ausgerich­ tetes horizontales Magnetfeld durch zwei Polschuhe erzeugt, die sich über die gesamte Substratbreite erstrecken, und horizontal angeordnete Elek­ tronenkanonen vom Axialtyp mit Ablenkmitteln zur Führung der von ihnen erzeugten Elektronenstrahlen auf einer geraden Linie auf dem Verdamp­ fungsgut quer zur Bewegungsrichtung des Substrats, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf jeder Seite der Magnetfalle (18) mindestens eine Elek­ tronenkanone (12; 12′) angeordnet ist, daß in jedem der beiden gegen­ überliegenden Polschuhe (19; 19′) der Magnetfalle (18) mindestens ein horizontaler Spalt (20; 20′) zum Durchtritt eines horizontal abgelenkten Elektronenstrahls (13; 13′) eingebracht ist, daß der Spalt (20; 20′) jeder Elektronenkanone (12; 12′) derart zugeordnet und in seiner Länge ausge­ bildet ist, daß die von jedem Elektronenstrahl (13; 13′) durch seine Ablen­ kung erzeugten Bereiche auf dem Verdampfungsgut (15) lückenlos zu ei­ nem Gesamtbereich sich über die Breite des Substrats (16) erstreckend aneinanderreihbar sind, und daß zwei benachbarte Ablenklinien (21), die durch jeweils gegenüberliegende Polschuhe (19; 19′) in das horizontale Magnetfeld (23) eintreten, von zwei Elektronenstrahlen (13; 13′) erzeugt sind.