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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumkammer zum Bedampfen oder Beschichten
von Proben, mit einer Bodenplatte, einem Kammerteil und einem Deckel,
sowie mit zumindest einer in der Vakuumkammer angeordneten Probenhalterung
und zumindest einer Absaugeinrichtung.
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In
den Grundlagenlabors an Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen
werden häufig Proben mit Metallen oder organischen Verbindungen
bedampft oder beschichtet, um die so bearbeiteten Proben zu analysieren
oder weiter zu verarbeiten. An die hierfür eingesetzten
Bedampfungs- oder Beschichtungseinrichtungen werden zahlreiche Anforderungen
gestellt:
- • rasche Abpumpzeiten zum
Hochvakuumbereich von 10–8 bis
10–10 bar bzw. 10–5 bis
10–7 mbar,
- • keine Kontamination der Proben mit unerwünschten
Fremdsubstanzen,
- • Möglichkeit der Verwendung von Masken für
das Aufbringen von Strukturen auf der Probe,
- • hohe Flexibilität der Anlage in Hinblick
auf unterschiedliche Probengrößen und unterschiedliche Proben-
und Beschichtungsmaterialien, sowie Prozessführung und
- • Arbeiten mit der Bedampfungskammer in Schutzgaseinrichtungen,
sogenannten ”Glove-Boxen”, wobei die Bedampfungseinrichtung
in der Glove-Box einfach zu bedienen sein muss.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumkammer der eingangs
erwähnten Art bereitzustellen, die diese Anforderungen
erfüllt und eine einfach zu bedienende, insbesondere in
einer Schutzgaseinrichtung einsetzbare Beschichtungs- und Bedampfungsanlage
zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vakuumkammer der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Kammerteil aus einem Aluminiumformrohr mit viereckigem Querschnitt
gefertigt ist. Beschichtungskammern sind für gewöhnlich
aus Glas oder aus Edelstahl gefertigt, wobei diese Materialien in
der Regel schwer zu bearbeiten und/oder bruchanfällig sind
und zudem ein hohes Gewicht aufweisen. Eine Vakuumkammer aus Edelstahl
ist beispielsweise in der
JP
04-210224 offenbart. Aluminium hingegen ist ein wesentlich
leichteres Metall, sodass aus diesem Material gefertigte Vakuumkammern
oder deren Teile leichter zu manipulieren sind, was insbesondere
im Laborbetrieb außerordentlich wünschenswert
ist.
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In
der
JP 11-221660 ist
die Herstellung einer Vakuumkammer aus Aluminium gezeigt, wobei
vier Aluminiumplatten an ihren Kanten mithilfe einer Aluminiumlegierung
miteinander verbunden werden. Die
JP
11-300480 beschreibt ebenfalls die Herstellung einer Vakuumkammer
aus Aluminiumplatten, die an ihren Stoßkanten miteinander
verschweißt werden. Nachteilig an diesen Kammern ist jedoch,
dass diese Verbindungen an den Stoßkanten der Platten anfällig für
Korrosion oder mechanische Beanspruchung sind und es daher bei häufig
wechselnder Beanspruchung, wie es im Laborbetrieb zumeist der Fall
ist, zu Beschädigungen der Stoßkanten beziehungsweise der
Schweißnähte und damit zu einer Undichtheit der Vakuumkammer
kommt.
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Im
Gegensatz hierzu ist der Kammerteil der erfindungsgemäßen
Vakuumkammer aus einem viereckigen Aluminiumformrohr gefertigt,
wodurch sich die Problematik mit Stoßkanten nicht ergibt.
Des Weiteren erlaubt der viereckige Querschnitt die platzsparende
Unterbringung von unterschiedlichen Anschlüssen insbesondere
auch in den Ecken der Bodenplatte, wie beispielsweise Absaugung
oder andere vakuumdichte Durchführungen, wie Stromdurchführungen,
Gaseinlässe, etc., deren Anordnung bei Kammern mit rundem
Durchmesser aufgrund des geringeren Platzangebotes in diesem Maße
nicht möglich sind.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Vakuumkammer
einen quadratischen Querschnitt auf. Es hat sich gezeigt, dass mit
einem quadratischen Querschnitt eine gleichmäßigere
Beschichtung der Probe erzielt wird.
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Um
die Vakuumkammer möglichst flexibel zu gestalten, sind
der Deckel auf dem Kammerteil sowie der Kammerteil von der Bodenplatte
abnehmbar angeordnet. Somit kann beispielsweise der bestehende Kammerteil
gegen einen anderen Kammerteil mit gleichem Querschnitt auf einfache
Weise ausgetauscht werden, wenn beispielsweise die Vakuumkammer
eine größere oder geringere Höhe aufweisen
soll. Da während der Bedampfung einer Probe der Kammerteil
wie auch der Deckel ebenfalls beschichtet werden, ist ein häufig
ein Auswechseln des Kammerteils und/oder Deckels gewünscht,
um bei einem nachfolgenden Beschichtungsprozess mit einem anderen
Beschichtungsmaterial Kontaminationen zu vermeiden.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die zumindest
eine Probenhalterung an dem Deckel angeordnet, wobei die Probenhalterung
beim Verschließen der Vakuumkammer mit dem Deckel in die
Vakuumkammer hineinragt. Die Bestückung der Vakuumkammer
mit einer oder mehreren Proben erfolgt somit mit wenigen Handgriffen;
der Deckel muss lediglich angehoben und die Probe mit der zu beschichtenden
Seite nach unten, also vom Deckel abgewandt, in die Probenhalterung
eingelegt werden.
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Für
den Fall, dass die Probe nicht flächig, sondern in Strukturen
beschichtet oder bedampft werden soll, ist auf der dem Deckel abgewandten Seite
der Probenhalterung eine Maskierungseinrichtung angeordnet. Diese
beispielsweise schablonenartig aufgebaute Maskierungseinrichtung
beschattet die Probe teilweise, sodass nur Teilbereiche der Probenoberfläche
beschichtet werden.
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Um
die Probe bedampfen zu können, muss das für gewöhnlich
feste oder flüssige Bedampfungsmaterial, insbesondere Metalle
wie beispielsweise Gold oder auch organische Verbindungen, in eine dampf-
oder gasförmige Form gebracht werden. Dies geschieht in
der erfindungsgemäßen Vakuumkammer dadurch, dass
auf der Bodenplatte zumindest eine beheizbare Aufnahme vorgesehen
ist, in die das zu verdampfende Material einbringbar ist. Das zu verdampfende
Material wird dabei beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung
aufgeheizt und verdampft mit Unterstützung des in der Bedampfungskammer
herrschenden Vakuums.
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Sollen
Metalle verdampft werden, so ist die beheizbare Aufnahme bevorzugt
aus Wolfram gefertigt, weil dieses Material eine hohe Temperaturbeständigkeit
und einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Metalle verdampfen
im Hochvakuum bei Temperaturen von etwa 500°C–2000°C.
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Um
die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vakuumkammer
beizubehalten, ist vorteilhafterweise die zumindest eine Absaugseinrichtung
in der Bodenplatte angeordnet. Die Absaugeinrichtung besteht für
gewöhnlich aus einem Vakuumflansch mit großem
Durchmesser und ist zumeist im Mittelpunkt der Bodenplatte untergebracht.
In einer anderen Ausführung können jedoch auch
mehrere, beispielsweise vier Absaugungen vorgesehen sein, die jeweils
in den Eckpunkten der Bodenplatte untergebracht sind. Diese Absaugungen
münden schließlich außerhalb der Vakuumkammer
in eine zu einer Vakuumpumpe führenden Absaugleitung. Somit
können Kammerteil und Deckel der Vakuumkammer entfernt werden,
ohne die zumeist aus mehreren Teilen bestehende Absaugeinrichtung
zerlegen und entfernen zu müssen. Dies ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Vakuumkammer
in einer Glove-Box untergebracht ist.
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Vorteilhafterweise
weist die Bodenplatte zusätzlich zumindest eine vakuumdichte
Durchführung auf, durch die Stromleitungen oder Gaszuleitungen hindurchgeführt
werden können.
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Da
zum Bedampfen der Probe das aufzudampfende Material zunächst
erhitzt und verdampft werden muss, ist das Kammerinnere zu Beginn
nur teilweise oder nicht in ausreichender Konzentration mit dampfförmigen
Material gefüllt. Daher ist in einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung zusätzlich zumindest eine Abblendvorrichtung
vorgesehen. Diese Abblendvorrichtung, auch ”Shutter” genannt,
deckt in aktivierter Position die zu beschichtende Probe ab und
verhindert so eine ungewollte Beschichtung der Probe während
der Aufheizphase. Hat sich in der Vakuumkammer schließlich
ein Prozessgleichgewicht mit im Wesentlichen konstanten Beschichtungsraten eingestellt,
wird der Shutter beispielsweise weggeschwenkt oder -geklappt und
die Probe wird beschichtet.
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Um
das Erreichen konstanter Beschichtungsraten feststellen zu können,
ist bevorzugt in der Vakuumkammer zusätzlich zumindest
eine Einrichtung zur Bestimmung der Aufdampfrate vorgesehen. Eine
derartige Einrichtung ist beispielsweise ein Schwingquarz-Meßsystem.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind der Deckel
und/oder der Kammerteil der Vakuumkammer über ein Liftsystem
anhebbar. Dies erleichtert das Öffnen der Kammer insbesondere
in der Globe-Box, in der, wie der Name bereits besagt, mit in der
Wand der Glove-Box angeordneten Handschuhen hantiert werden muss.
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Erfindungsgemäß weist
das Liftsystem eine Führung mit einem Bügelarm
zur Fixierung des Deckels auf dem Kammerteil auf, sowie zumindest
zwei klammerartige Haltevorrichtungen, die entlang der Führung
bewegbar sind, wobei in eine Haltevorrichtung der Deckel und in
zumindest eine weitere Haltevorrichtung der Kammerteil einspannbar
sind. Der an der vertikal angeordneten Führung befestigte
Bügelarm presst hierbei den Deckel auf den Kammerteil und
in weiterer Folge den Kammerteil gegen die Bodenplatte, während
die klammerartigen Haltevorrichtungen ein Verschieben des Deckels
und/oder des Kammerteils in horizontaler Richtung verhindern.
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Um
ein im Wesentlichen widerstandsfreies Gleiten des Bügelarms
und der klammerartigen Haltevorrichtungen zu ermöglichen,
sind die Haltevorrichtungen über zumindest ein Kunststoffgleitlager entlang
der Führung bewegbar. Des Weiteren sind zusätzlich
Einrichtungen zur Arretierung der Haltevorrichtungen vorgesehen,
die bei eingespanntem Deckel und/oder Kammerteil diese in Position
halten. Wird der Deckel beispielsweise durch eine Aufwärtsbewegung
des Bügelarms entlang der Führung von dem Kammerteil
abgehoben und anschließend in horizontaler Richtung verschwenkt,
um beispielsweise einen ungehinderten Zugang zur Probenhalterung
zu haben, so sorgt eine Arretierung für eine fixierte Position
des Deckels.
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Im
Folgenden wird anhand eines nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels
mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert.
Darin zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Vakuumkammer in einem Längsschnitt;
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2 eine
weitere Ausführung der Erfindung; und
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3 die
Vakuumkammer aus 1 mit Liftsystem in einer perspektivischen
Ansicht.
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Die
in der 1 dargestellte Vakuumkammer 1 zum Beschichten
und Bedampfen von Proben verfügt über eine Bodenplatte 2,
einen Kammerteil 3 aus einem Aluminiumformrohr mit quadratischem Querschnitt,
zum Beispiel mit den Querschnittsmaßen 150 mm × 150
mm × 5 mm, und einen Deckel 4. Die Bodenplatte 2 ist
in der dargestellten Ausführung der Erfindung aus rost-
und säurebeständigem Edelstahl gefertigt, weil
hier zahlreiche Vakuumdurchführungen angeordnet sind, und
eine Oberfläche aus Edelstahl beständiger gegen
mechanische Beschädigungen ist. Im Zentrum der Bodenplatte 2 ist
die Vakuumabsaugung in Form eines Vakuumflansches 5 angebracht,
der über eine Vakuumleitung (nicht dargestellt) mit einer
Vakuumpumpe, beispielsweise einer Turbopumpe in Verbindung steht.
Innerhalb der Vakuumkammer 1 befindet sich auf der Bodenplatte 2 des
Weiteren eine elektrisch beheizbare Aufnahme 6, die für
das Verdampfen von Substanzen wie beispielsweise Metalle oder organische
Verbindungen vorgesehen ist, mit denen die Probe beschichtet werden
soll. Zwei vakuumdichte Stromdurchführungen 7, 7' sind
elektrisch leitend mit der Aufnahme 6 beispielsweise über
Kupferblöcke 8, 8' verbunden. Die Aufnahme 6 selbst
ist aus Wolfram gefertigt, das einen hohen elektrischen Widerstandwert
aufweist und sich bei Stromzufuhr erhitzt, wodurch die in der Aufnahme 6 befindliche
Substanz verdampft wird.
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Auf
der Bodenplatte 2 ist der Kammerteil 3 aufgesetzt.
Um die Stoßfläche von Bodenplatte 2 und Kammerteil 3 abzudichten,
ist eine Dichtung 9, beispielsweise Viton®,
zwischen Bodenplatte 2 und Kammerteil 3 vorgesehen.
Um eine Verrutschen des Kammerteils 3 auf der Dichtung 9 zu
vermeiden, ist der Kammerteil 3 zusätzlich von
einer Schutzplatte 10 umgeben, die mit dem Bodenteil 2 verschraubt
ist. Mit Hilfe dieser Schrauben 11, 11' kann die
Vakuumkammer 1 gleichzeitig auch mit der Bodenplatte einer Glove-Box
verschraubt sein, in der die Vakuumkammer 1 eingesetzt
wird.
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Der
Deckel 4 ist ebenfalls gegen den Kammerteil 3 mit
Hilfe einer Dichtung 9' und einer Schutzplatte 10' abgedichtet.
An dem Deckel 4 ist eine Probenhalterung 12 mit
einem Schattenmaskenhalter 13 befestigt, die beim Abnehmen
des Deckels 4 ebenfalls aus der Vakuumkammer 1 herausgenommen wird.
Dadurch gestaltet sich das Einsetzen und Entnehmen der zu beschichtenden
Probe und/oder einer allfälligen Schattenmaske besonders
einfach.
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Unterhalb
der Probenhalterung 12 bzw. der Schattenmaskenhalters 13 ist
eine Abblendvorrichtung angeordnet, die aus einer plattenförmigen
Blende 14 besteht, wobei die Blende 14 aus einer
im Wesentlichen parallel zu der Probenhalterung 12 verlaufenden,
horizontalen Position in eine zweite, parallel zu der Kammerwand
verlaufenden vertikalen Position verschwenkbar ist. Die Verschwenkung
der Blende 14 erfolgt über ein Gestänge 15,
das über einen unterhalb der Bodenplatte 2 angeordneten
Metallfaltenbalg 16 automatisch oder per Hand angetrieben wird.
Die Blende 14 sorgt in waagrechter Position für eine
beinahe vollständige Abschattung der Probe in der Probenhalterung 12,
so dass eine ungewollte Beschichtung der Probe beispielsweise zu
Beginn der Verdampfung der in der Aufnahme 6 befindlichen Substanz
verhindert wird.
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Zwischen
Probenhalterung 12 und Bodenplatte 2, insbesondere
unterhalb der Blende 14 ist schließlich noch in
geeigneter Höhe eine Einrichtung zur Messung der Abscheidrate
in der Vakuumkammer 1 untergebracht. Diese Messeinrichtung
ist beispielsweise ein Schwingquarz-Messsystem 17.
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In
der 2 ist ein weitere Ausführung der Vakuumkammer 1 dargestellt,
wobei diese in einer Glove-Box 18 untergebracht ist. Im
Unterschied zu der vorhergehend beschriebenen Ausführung
ist die Probenhalterung 12 nicht im Deckel 4 untergebracht, sondern
auf einem, an der Bodenplatte 2 befestigten Gestell 19.
Um die Probenhalterung 12 besser bestücken zu
können, überragt sie den Kammerteil 3,
während der Deckel 4 eine entsprechende Ausnehmung 20 aufweist,
in die die Probenhalterung 12 hineinragt.
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Die
in der 2 dargestellte Ausführung der Erfindung
ist geeignet, in einer Glove-Box 18 eingesetzt zu werden,
wobei nach dem Belüften der Vakuumkammer 1 durch
Entfernung der Bodenplatte 2 Änderungen in der
Vakuumkammer 1 vorgenommen werden können, ohne
dass die in der Glove-Box 18 herrschende Schutzgasatmosphäre
beeinträchtigt wird. Hierfür ist eine Abdichtplatte 21 zwischen
Bodenplatte 2 und Kammerteil 3 vorgesehen, die
einerseits mit der den Kammerteil 3 umgebende Schutzplatte 10 vakuumdicht
verschraubt und andererseits mittels von außen lösbarer
Schrauben über einen Spannring 22 mit der Bodenplatte 2 verbunden
ist.
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Bei
Abnahme der Bodenplatte 2 verhindern jeweils zwischen der
Abdichtplatte 21 und dem Boden 23 der Glove-Box 18 angeordnete
Dichtungen 24, in Form von O-Ringen aus beispielsweise
Viton®, dass die Schutzgasatmosphäre
nicht aus der Glove-Box 18 entweichen kann. Weitere Dichtungen 25 dichten
die Abdichtplatte 21 zur Bodenplatte 2 hin ab.
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Um
nun die Vakuumkammer 1 zum Beschichten oder Bedampfen in
der Glove-Box 18 auf einfache Weise mit Proben bestücken
zu können, weist diese erfindungsgemäß ein
Liftsystem 100 auf, das in der 3 dargestellt
ist.
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Das
Liftsystem 100 weist eine Führung 101 auf,
die beispielsweise in der Schutzplatte 10 verankert ist.
Entlang dieser Führung 101 sind zwei übereinander
liegende, getrennt voneinander verschiebbare Führungszylinder 102, 102' angeordnet,
die über Kunststoffgleitlager 103 verfügen,
die die Verschiebbarkeit der Führungszylinder 102, 102' entlang
der Führung 101 verbessern. Der obere Führungszylinder 102 weist
einen klammerartigen Haltearm 104 auf, der über
je eine Flügelmutter 105 an zwei Seiten des Deckels 4 der
Vakuumkammer 1 befestigt ist. Die Flügelmutter 105 greift
dabei in ein Sackloch; selbstverständlich können
auch andere Mittel zur Befestigung des Haltearms 104 an
dem Deckel 4 vorgesehen sein.
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Der
Deckel 4 ist zusätzlich über einen Bügelarm 106 fixiert,
durch den eine Spannschraube 107 geführt ist.
Diese Spannschraube 107 presst den Deckel 4 gegen
den Kammerteil 3, während eine mit der Schutzplatte 10 lösbar
verbundene Führungsstange 108 den in der Führung 101 im
Wesentlichen horizontal verdrehbaren Bügelarm 106 in
seiner Position fixiert.
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Soll
nun der Deckel 4 von dem Kammerteil 3 abgehoben
werden, um beispielsweise die Vakuumkammer 1 mit einer
neuen Probe zu beschicken, so wird zunächst die Spannschraube 107 gelöst
und die Führungsstange 108 aus einem in der Schutzplatte 10 angeordneten
Verschlusselement 109, beispielsweise einer Einrastvorrichtung,
gelöst. Danach wird der Bügelarm 106 um
die Längsachse der Führung 101 verschwenkt.
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Hernach
wird der Führungszylinder 102 entlang der Führung 101 hochgezogen,
wodurch der Deckel mitsamt der Dichtung 9' ebenfalls angehoben wird.
Der Führungszylinder 102 weist einen Bolzen 110 auf,
der in eine in der Führung 101 vorgesehene Nut 111 einrastet,
wenn der Deckel 4 angehoben und horizontal verschwenkt
wird. Dadurch verbleibt der Deckel 4 in der angehobenen
Position und es können beispielsweise in der Vakuumkammer 1 Änderungen vorgenommen
werden.
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Um
eine einfachere Beschickung der Aufnahme 6 mit Beschichtungsmaterial
zu ermöglichen, kann der Kammerteil 3 ebenfalls
angehoben werden. Hierfür wird (bei angehobenem Deckel 4)
der Führungszylinder 102', der über zwei
Haltearme 104', 104'' mit dem Kammerteil 3 verbunden
ist, entlang der Führung 101 nach oben verschoben.
Um den Kammerteil 3 in der angehobenen Position zu arretieren,
ist wiederum ein bügelartiges Fixierungssystem 112 vorgesehen,
das über ein Federsystem (nicht dargestellt) an der Führung 101 fixierbar
ist.
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Sollen
Deckel 4 bzw. Kammerteil 3 ausgetauscht werden,
so müssen lediglich die Flügelmuttern 105 gelöst
werden und Deckel 4 bzw. Kammerteil 3 können
aus den Haltearmen 104, 104', 104'' entnommen
werden.
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Es
versteht sich dass das dargestellte Ausführungsbeispiel,
insbesondere das Liftsystem 100 in nicht-einschränkender
Weise zu betrachten ist. Insbesondere kann das Liftsystem 100 auch
mittels Motoren angetrieben sein. Ebenso können die Einbauten
in der Vakuumkammer 1 variieren und an den jeweiligen Beschichtungsprozess
angepasst sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 04-210224 [0004]
- - JP 11-221660 [0005]
- - JP 11-300480 [0005]