DE19720026C2

DE19720026C2 - Linienförmige Verdampferquelle für Vakuum-Aufdampfanlagen

Info

Publication number: DE19720026C2
Application number: DE1997120026
Authority: DE
Inventors: Martin Ruckh; T Achim Oberacker
Original assignee: Martin Ruckh
Current assignee: RUCKH, MARTIN, DR.-ING., 72074 TUEBINGEN, DE
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: DE19720026A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine linienförmige Verdampferquelle bei der Materialien durch Verdampfen im Vakuum auch bei hohen Aufdampfraten noch tropffrei auf ein zu beschichtendes Substrat abgeschieden werden. Bei der thermischen Verdampfung von Aufdampfmaterial kann es zu einer Beeinträchtigung der Schichtqualität kommen, wenn kleine Materialtröpfchen auf das Substrat gelangen können. Dies geschieht insbesondere dann, wenn die Aufdampfraten hoch sind und wenn das zu bedampfende Substrat unten liegend von oben her bedampft werden soll. Vor allem bei höheren Aufdampfraten, also hohen Betriebstemperaturen des Verdampfers, kommt es zu unkontrolliertem Verspritzen von Materialteilchen aus der Schmelze weshalb der direkte Sichtkontakt zwischen Schmelze und Substrat vermieden werden muß. Weiterhin kann es zur Kondensation des Dampfes in der Nähe der Austrittsöffnung des Dampfstrahls aufgrund der dort erfolgenden hohen Wärmeabstrahlung und der damit verbundenen lokalen Abkühlung kommen. Solche Kondensattröpfchen können dann auf das Substrat gelangen. Bislang gibt es kein technologisch befriedigendes Konzept für Verdampferquellen, die eine tropffreie, großflächige Beschichtung von oben auf ein unten liegendes Substrat ermöglichen.

In der Offenlegungsschrift DE 41 33 615 wird eine Verdampferquelle für Metalle beschrieben, bei der ein in horizontaler Richtung angeordneter zylinderförmiger Behälter einen axial verlaufenden Dampfaustrittsschlitz an der Oberseite aufweist. Der gegenüber einem offenen Tiegel verengte Austrittsspalt soll das Austreten von Metallspritzern dadurch reduzieren, daß der größte Teil der möglicherweise durch Spritzen erzeugten Metalltröpfchen durch die umgebende Zylinderwand abgehalten wird und durch den verkleinerten Dampfauslaß ein erhöhter Druck aufrechterhalten wird. Der Metalldampf wird bei dieser Quelle von unten her auf über der Dampfaustrittsöffnung angeordnete Substrate nach oben verdampft. Das Substrat kann bei dieser Konstruktion in direkten Sichtkontakt mit der Schmelze im Tiegel kommen. Teile der bei hohen Temperaturen zum Spritzen neigenden Schmelze können dadurch aufs Substrat gelangen. Eine Beschichtung von oben nach unten ist mit diesem Verdampfer nicht möglich.

In der Patentschrift DE 42 04 938 C1 wird ein linienförmiger thermischer Verdampfer für Vakuum-Bedampfungsanlagen beschrieben, bei dem im Innenbereich eines Tiegels mit nach oben offenen Dampfaustrittsspalt zwei Heizstäbe entlang der den Austrittsspalt bildenden Leisten angebracht sind. Dadurch soll die Kondensation von Dampf an den Längskanten des Dampfaustrittsspaltes verhindert werden. Die Heizstäbe sind direkt dem Dampf ausgesetzt. Aufgrund der Ausführung als dünne Heizstäbe ist eine weitere Heizeinrichtung an der Außenseite des Tiegels und innerhalb der Wärmedämmeinrichtung notwendig. Dadurch soll ein Abbrand der Heizstäbe vermindert werden. Auch bei dieser Verdampferquelle kann das Substrat in direkten Sichtkontakt mit der Schmelze im Tiegel kommen, wodurch Spritzer nicht ausgeschlossen sind. Eine Beschichtung von oben nach unten ist mit diesem Verdampfer nicht möglich.

In der Patentschrift DE 44 22 697 C1 wird eine Verdampferquelle vorgeschlagen, bei welcher der Tiegel mit Verdampfergut von außen durch einen zylinderförmigen, um seine Längsachse drehbeweglichen Reflektorrohrkörper beheizt wird. Dadurch soll eine beliebige Wahl der Dampfabstrahlrichtung ermöglicht werden, insbesondere eine Beschichtung von oben nach unten. Die Energieverluste bei dieser Quelle sind beim Betrieb erheblich, da die Abschirmbleche direkt großflächig beheizt werden. Durch die homogene Verteilung der Heizdrähte entsteht aufgrund der großen Wärmeabstrahlung am Dampfaustrittsspalt ein Temperaturgradient innerhalb des Dampfraumes mit einer kalten Kondensationszone entlang dem Dampfaustrittsschlitz. Ein tropffreier Betrieb der Quelle ist daher nur bei niederen Betriebstemperaturen sicher gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine linienförmige Verdampferquelle, geeignet zur Beschichtung großflächiger Substrate, dahingehend zu verbessern, daß durch entsprechende Anordnung der Heizelemente eine möglichst energiesparende Verdampfung hochschmelzender Materialien bei weitgehender Vermeidung der Kondensation von Verdampfungsmaterial an den Dampfaustrittsöffnungen gewährleistet wird. Die zu beschichtenden Substrate sollen nicht in direktem Sichtkontakt mit dem Verdampfergut stehen. Darüber hinaus soll die Verdampferquelle auch eine Beschichtung von oben auf ein untenliegendes Substrat ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Inneren des Verdampfertiegels mindestens ein Heizelement (1) mit flächiger Wärmeabstrahlcharakteristik angebracht ist, in dessen Nähe der Dampfstrahl seitlich vorbeiströmend nach außen tritt. Fig. 1a zeigt einen Querschnitt in der Mitte, Fig. 1b einen Längsschnitt durch die Mitte der Verdampferquelle. Das Heizelement (1) besteht ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitfähigen, hochtemperaturbeständigen Material. Dabei kann das Heizelement aus einer durchgehenden Platte (Fig. 2a), einem Mäander (Fig. 2c) oder beispielsweise einer Kombination mehrerer eng übereinander angeordneter Stabheizer (Fig. 2b) bestehen. Die Heizeranordnung wird elektrisch isolierend in den entsprechend ausgestalteten Tiegelkörper eingeführt. Das Heizelement wird an den seitlichen Abschlußenden (13) fixiert und über daran angebrachte Stromzuführungen (12) elektrisch beheizt.

Durch die Anordnung des Flächenheizelementes entlang dem Dampfaustrittsspalt ist gewährleistet, daß gerade an den nach außen hin offenen Stellen die höchsten Temperaturen herrschen und somit jegliche Kondensation bzw. Tropfenbildung an diesen Flächen vermieden wird. Der Energieeintrag in den Verdampfer ist durch die innenliegende flächige Heizung besonders effektiv im Vergleich zu einem von außen beheizten System. Durch Einbau einer zusätzlichen Heizeinrichtung (10) zwischen Abschirmblechen (7) und Tiegelkörper (2) kann der Temperaturgradient zwischen Verdampfergut (3) und Austrittsspalt (4) eingestellt werden.

Die Verdampferquelle kann in verschiedenen Ausführungsformen den entsprechenden Anwendungen modular angepaßt werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1a ein schematischer Querschnitt durch den Verdampfer im zentralen Bereich in der Ausführung zur Verdampfung eines Materials von oben nach unten,

Fig. 1b ein schematischer Längsschnitt durch die Mitte des Verdampfers in Fig. 1,

Fig. 2a Heizelement in der Ausführung als ebene Platte,

Fig. 2b Heizelement in der Ausführung als System übereinander angeordneter Stabheizer mit rotationssymmetrischer Befestigung,

Fig. 2c Heizelement in der Ausführung als Mäander,

Fig. 3 ein schematischer Querschnitt durch den Verdampfer im zentralen Bereich in der Ausführung zur Verdampfung eines Materials von oben nach unten, wobei das Heizelement vom Dampfraum durch einen die Dampfaustrittsöffnungen enthaltenden Materialkörper isoliert ist,

Fig. 4 bevorzugte Ausführung zur Verdampfung eines Materials von unten nach oben,

Fig. 5 bevorzugte Ausführung zur Verdampfung eines Materials von unten nach oben, wobei das Heizelement durch eine entsprechende Ausgestaltung des Tiegelkörpers vom Dampfraum isoliert ist,

Fig. 6 bevorzugte Ausführung zur simultanen Verdampfung zweier Materialien von unten nach oben mit mehreren vom Dampfraum isoliert angebrachten Heizelementen,

Fig. 7 ein schematischer Querschnitt durch den Verdampfer im zentralen Bereich in der Ausführung mit Dampfsperre zur simultanen Verdampfung zweier Materialien von oben nach unten, wobei das Heizelement vom Dampfraum durch einen die Dampfaustrittsöffnungen enthaltenden Materialkörper isoliert ist.

Zur Verdampfung eines Materials das direkt mit dem heißen Heizelement in Berührung kommen darf ist eine Konstruktion wie in Fig. 1a geeignet. Im zentralen Bereich des Tiegelkörpers (2) ist entlang seiner Längsachse ein breiter Schlitz eingefräßt, in dem das Heiz element (1) eingebracht wird. Der Tiegel besitzt vorzugsweise zwei getrennte Kammern, in die das Verdampfergut (3) eingefüllt werden kann. Nach oben wird der Tiegelkörper durch einen dampfdichten Deckel (5) begrenzt. Zwischen Tiegelkörper und Heizelement entstehen so zwei Dampfaustrittsspalte (4), die aufgrund der Nähe zum Heizelement eine höhere Temperatur als andere Orte innerhalb des Tiegeldampfraumes haben. Eine Kondensation von Dampf entlang des Dampfaustrittsspaltes wird so weitestgehend vermieden. Es besteht kein direkter Sichtkontakt zwischen Substrat und Verdampfergut. Zur Gewährleistung einer hohen Temperatur im Dampfraum unterhalb des Deckels und zur Verhinderung von Kondensation am Deckel kann zusätzlich zu den die Konstruktion umhüllenden Abschirmblechen (7) Wärme dämmaterial (6) auf den Deckel gelegt werden. Die Abschirmbleche können vorzugsweise als ineinandergestapelte schachtelförmige Behälter ausgeführt werden. Durch Abnahme des Deckels von Abschirmung und Tiegel kann der Verdampfer gut zugänglich von oben befüllt werden. Es kommt zu keinerlei mechanischer Veränderung des Gesamtsystems von Tiegel (2), Heizelement (1) und den geeigneterweise im Kopfbereich nahe den Ausfräsungen für das Verdampfergut (3) von unten her eingebrachten Temperaturmeßelementen (11). Dies gewährleistet eine gute Reproduzierbarkeit der Betriebsparameter nach Befüllen des Tiegelkörpers. Der Tiegel liegt elektrisch isoliert auf den etwas dicker ausgeformten seitlichen Abschlußenden des Heizelementes (13) auf und wird dadurch geführt und zentriert. Das Heizelement wird dabei über Stromzuführungen (12) elektrisch beheizt. Bei rotationssymmetrisch bezüglich der Verdampferachse angeordneter Befestigung (Fig. 2b) kann die Anordnung auch verdreht eingebaut und justiert werden.

Zur Verdampfung von Materialien, bei denen ein direkter Kontakt mit dem Heizelement unerwünscht ist, kann beispielsweise eine Konstruktion entsprechend Fig. 3 verwendet werden. In den für die Dampfaustrittsspalte ausgefrästen Schlitz des Tiegelkörpers kann dabei ein auswechselbarer Körper (8) mit entsprechend ausgeformten Dampfaustrittsspalten (4) eingesetzt werden. Das Heizelement (1) ist bei dieser Ausführung isoliert vom Dampfraum untergebracht. Dies gewährleistet zum einen eine höhere Standzeit des Heizelements und verhindert Inhomogenitäten in der Heizcharakteristik infolge von Abbrand oder partieller Bedampfung mit evtl. hochleitfähigem Material.

Zur Verdampfung von Material von unten nach oben kann die Konstruktion beispielsweise wie in Fig. 4 ausgeführt werden. Dabei wird das Heizelement (1) von oben her in den Tiegelkörper (2) eingeführt. Der aus der Schmelze austretende Dampf wird dabei durch einen Spalt zwischen Tiegeldeckel (5), Tiegelinnenwand und Heizelement derart geführt, daß keine direkte Sichtverbindung zwischen Schmelze und Substrat möglich ist. Auch bei dieser Konstruktion läßt sich durch entsprechende Ausgestaltung des Tiegelkörpers bzw. durch Einführung eines die Dampfaustrittsöffnungen enthaltenden Körpers das Heizelement vom Dampfraum isolieren (Fig. 5).

Durch den Einbau von mehreren Heizelementen, die geeigneterweise unabhängig voneinander beheizt werden können, läßt sich auch ein Verdampfer realisieren, der die Verdampfung von zwei unterschiedlichen Materialien mit ähnlichen Verdampfungstemperaturen gestattet (Fig. 6).

Eine entsprechende Ausführung zur Verdampfung von Material von oben nach unten ist in Fig. 7 dargestellt. Durch Abtrennung des Dampfraumes mittels einer Dampfsperre (9) entlang der Längsachse des Tiegelkörpers (2) in zwei voneinander getrennte Bereiche wird bei der Verdampfung von zwei unterschiedlichen Materialien eine Durchmischung innerhalb des Tiegels vermieden. In den Einfräsungen des Tiegelkörpers zur Aufnahme von Verdampfergut (3) können sich unterschiedliche Materialien befinden, die durch zwei voneinander unabhängige Heizelemente (1) beheizt werden können. Durch den geringen Abstand der beiden Dampf austrittsspalte (4) voneinander wird ein homogenes Dampfgemisch erzeugt, das einen Gradient in der Zusammensetzung innerhalb der aufgedampften Schicht minimal hält. Aufgrund der zentralen Lage der Dampfaustrittsspalte können in dieser Anordnung die Abschirmbleche (7) bis über die Heizelemente geführt werden. Dadurch ergibt sich ein verminderter Temperatureintrag auf das Substrat und ein gleichzeitig reduzierter Energieverbrauch beim Betrieb der Quelle. Durch Einbau einer zusätzlichen Heizeinrichtung (10) zwischen Abschirmblechen (7) und Tiegelkörper kann der Temperaturgradient zwischen Verdampfergut und Austrittsspalt eingestellt werden. Damit können höhere Aufdampfraten erzielt und die Maximaltemperatur gesenkt werden.

Bezugszeichenliste

1

Heizelement

2

Tiegelkörper

3

Kammer für Verdampfergut

4

Dampfaustrittsöffnung

5

Dampfdichter Tiegeldeckel

6

Wärmedämmaterial

7

Abschirmbleche

8

Variable Dampfaustrittsdüse

9

Dampfsperre

10

Zusatzheizelement

11

Themperaturmesselement

12

Stromzuführung

13

Halterung für Heizelement

Claims

1. Linienförmige thermische Verdampferquelle für Vakuum-Aufdampfanlagen mit einem langgestreckten Tiegelkörper (2) aus einem hochtemperaturbeständigen Material mit materialaufnehmenden Vertiefungen zur Aufnahme von Verdampfungsgut (3), dessen Längsseite einen Dampfaustrittsspalt (4) aufweist wobei der Tiegel von einer Wärmedämmeinrichtung (7) umgeben ist dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Tiegelkörpers (2) ein oder mehrere Heizelemente (1) mit flächiger Wärmeabstrahlcharakteristik entlang der Längsachse des Tiegelkörpers so angeordnet sind, daß die Dampfaustrittsspalte (4) entlang der Dampfaustrittsrichtung flächig thermisch beheizt werden.

2. Verdampferquelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (1) entlang der dem Dampfaustrittsspalt zugewandten Außenwand von in Richtung der Längsachse des Tiegelkörpers (2) verlaufenden, das Verdampfergut aufnehmenden Vertiefungen (3), angeordnet sind.

3. Verdampferquelle nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (1) durch einen die Dampfaustrittsöffnungen (4) enthaltenden hochtemperaturbeständigen Materialkörper (8) bzw. durch entsprechende Ausformungen des Tiegelkörpers (2) vom Dampfraum getrennt sind.

4. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die parallel angeordneten Heizelemente (1) jeweils eine Außenfläche der Wand einer materialaufnehmenden Vertiefung (3) sowie die Dampfaustrittsöffnung (4) bzw. eine Seite des die Dampfaustrittsöffnungen enthaltenden hochtemperaturbeständigen Materialkörpers (8) beheizen.

5. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente in Form einer Platte, als Mäander oder als System aneinandergereihter Stabheizer ausgeführt sind.

6. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß eine Dampfsperre (9) entlang der Längsachse des Tiegelkörpers (2) den Dampfraum mit den materialaufnehmenden Vertiefungen (3) in zwei voneinander dampfisolierte Bereiche unterteilt.

7. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (1) mit getrennter Heizstromversorgung (12) versehen sind.

8. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tiegelkörper (2) und Abschirmblechen (7) eine oder mehrere zusätzliche Heizeinrichtungen (10) angeordnet sind.

9. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelkörper (2) und der Deckel (5) bis auf die Dampfaustrittsöffnungen (4) allseitig von einer thermischen Abschirmung (7) umgeben ist, wobei entlang der Längsachse des Tiegelkörpers auf der den Dampfaustrittsöffnungen gegenüberliegenden Seite zusätzliches Wärmedämmaterial (6) angebracht ist.

10. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Temperaturmesselemente (11) in entsprechende Bohrungen im Tiegelkörper (2) eingesetzt sind.