DE2604295B2 - Verfahren und vorrichtung zum explosionsartigen bedampfen eines substrats im vakuum - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum explosionsartigen bedampfen eines substrats im vakuumInfo
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Description
Aus der DT-AS 15 21 174 ist bereits ein Verfahren zum explosionsartigen Bedampfen eines Substrats im
Vakuum bekannt, bei dem das Substrat schlagartig einem Dampf ausgesetzt wird. Hierbei wird das
Bedampfungsmaterial, das in Form eines pulverförmigen Stoffgemisches vorliegt, auf die Unterlage aufgebracht
und im Vakuum mittels eines energieübertragenden Strahls erhitzt. Die Unterlage wird mit dem darauf
befindlichen Stoffgemisch langsam in den Strahl hineinbewegt, damit es an der jeweiligen Auftreffstelle
sofort verdampft.
Bei diesem Verfahren wird von dem energieübertragenden Strahl jeweils nur eine verhältnismäßig kleine
Fläche erfaßt, so daß der Bedarnpfungsvorgang jedenfalls einer größeren Fläche recht zeitraubend ist
und das Substrat nur ungleichmäßig aufgedampft werden kann, da der Strahl so geführt werden muß, daß
die Auftreffstellen einander überlappen. Außerdem kann bei dem bekannten Verfahren das Substrat
verhältnismäßig viel Wärme aufnehmen, was insbesondere bei der Beschichtung von Kunststoffen unerwünscht
ist. Außerdem muß das Bedampfungsmaterial pulverförmig sein, was einen verhä'tnisinäßig hohen
Aufwand wegen der hierzu notwendigen Herstellung des Pulvers erfordert.
Aus der DT-PS 7 02 937 ist es weiter bekannt, die schlagartige Bedampfung durch elektrische Explosion
dünner Drähte herbeizuführen, wobei das verdampfte Material des Drahtes als Bedampfungsmaterial verwendet
wird.
Abgesehen davon, daß hierbei das jeweils zur Verfügung stehende Material und damit die jeweils
bedampfbare Fläche beschränkt ist, kann bei diesem Verfahren das Bedampfungsmaterial nicht in einer
bestimmten Richtung aufgebracht werden, weil die Bewegungsrichtung des Dampfes stark streut. Außerdem
ist das Drahtexplosionsverfahren hinsichtlich des Bedampfungsmaterials verhältnismäßig stark eingeschränkt,
weil nicht jedes Material als Draht herstellbar und elektrisch leitend ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei deren
Anwendung praktisch jedes beliebige Substratmaterial mit einer großen Vielfalt von Bedampfungsmaterialien
möglichst wirtschaftlich, gezielt und gleichmäßig bedampft werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren bzw. die im
Patentanspruch 5 beschriebene Vorrichtung gelöst.
Weiterbildungen und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand
der Unteransprüche 2 bis 4, bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung Gegenstand der Unteransprüche 6 bis 10.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der
Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es zeigt
F i g. 1 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dampfabscheidung und
F i g. 2 den Querschnitt 2-2 der F i g. 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum explosionsartigen Bedampfen eines Substrats enthält eine
Dampfquelle mit einem Gehäuse 11. Diese Anordnung ist aus einem hochtemperaturfesten, bei Hochfrequenz
isolierenden Material, z. B. Aluminiumoxid oder anderer geeigneter Keramik hergestellt; Sie enthält eine
Abdeckung 12 und eine Basis 13. Die Abdeckung enthält eine innere Seitenwand 16, eine äußere Seitenwand 17
und eine ringförmige Oberwand 18. Die Seitenwände 16 und 17 sind insgesamt zylindrisch und koaxial
zueinander angeordnet. Die Basis 13 enthält einen erhabenen oder aufgewölbten Mittelteil 21 mit einer
axialen öffnung 22 und einen äußeren Teil oder Flansch
23. Die Basis 13 enthält weiter einen aufrechtstehenden, innen mit einem Gewinde versehenen Umfangsflansch
24, in den die Außenwand der Gehäuseabdeckung eingeschraubt ist. Längs der Innen- und Außenkanten
der Basis 13 verlaufen O-Ringe 26 bzw. 27, die die unteren Enden der Seitenwände 16 und 17 abdichten,
wenn Abdeckung 12 und Basis 13 miteinander verspannt sind.
Im Gehäuse 11 ist in dem von den Seitenwänden 16
und 17, der oberen Wand 18 und dem ringförmigen Teil 23 der Basis 13 umschlossenen Raum eine Induktionsspule
31 angeordnet. Die Induktionsspule 31 besteht aus mehreren Windungen aus einem geeigneten Leiter,
beispielsweise aus einem hohlen Kupferrohr, das mittels eines geeigneten Isoliermaterials, beispielsweise einem
Glasfaserschlauch, umschlossen is·. Die Spule liegt konzentrisch zum Gehäuse und in der Nähe der
Innenwand 16.
Die Enden der Induktionsspule 31 sind mit Dur jhführungen
32 und 33 verbunden, die durch öffnungen 34 und 36 im ringförmigen Teil 23 der Basis 13 verlaufen.
Die Durchführungen 32 und 33 bestehen aus elektrisch leitfähigem Material; sie dienen zum Anschluß der Spule
31 an eine außerhalb des Gehäuses befindliche
hochfrequente Spannungsquelle. Die Durchführungen
32 und 33 weisen Kanäle auf, die mit der öffnung in dem
die Spule bildenden Rohr in Verbindung stehen. Die Durchführungen sind mit Anschlüssen versehen, durch
die ein Kühlmittel zur Kühlung der Spule durch dieselbe zirkulierend hindurchgeleitet werden kann. Das Gehäuse
ist für die Erfindung unwesentlich; sie kann auch ohne das Gehäuse ausgeführt werden. Auch das Induktionsheizsystem
kann durch andere geeignete Heizeinrichtungen, beispielsweise Widerstandsheizeinrichtungen
ersetzt werden.
Zur Aufnahme des zu verdampfenden Materials in einer bestimmten Stellung innerhalb des Feldes der
Induktionsspule 31 dient ein Schmelztiegel 41. Dieser ruht auf einem aus einem axial verlaufenden Schaft 44
und einer Plattform 43 bestehenden Sockel 42. Der Schaft 44 verläuft durch die öffnung 22 in der Basis 13
und ist somit von der Außenseite des Gehäuses 11 her
zugänglich. Der Sockel ruht auf einem zylindrischen Abstandsstück 46, das zwischen Plattform 43 und dem
Vorsprung 21 der Basis 13 angeordnet ist. Auf der Plattform 43 ruht ein becherförmiger Hitzeschild 47.
Der Schmelztiegel 41 steht auf einem Abstandsstück 48, das seinerseits auf der Bodenwand des Hitzeschirms 47
steht.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Schmelztiegel 41 aus dielektrischem Material, so
daß die Energie von der Induktionsspule 31 das zu verdampfende Material und nicht den Schmelztiegel
aufheizt. Der Schmelztiegel kann auch aus anderem geeignetem Material bestehen, z. B. Kohlenstoff, glasartigem
Kohlenstoff oder anderen elektrisch leitfähigen Materialien. Der Sockel 42 und die Abstandsstücke 46
und 48 bestehen aus hochtemperaturfestern Isoliermaterial, beispielsweise Aluminiumoxid oder anderer geeigneter
Keramik. Der Hitzeschirm 47 besteht vorzugsweise aus einem keramischen Material mit geringer Dichte,
beispielsweise feuerfestem Metalloxid. Er dient zur Reflexion der vom im Tiegel 41 befindlichen Materials
abgestrahlten Wärme. Zusätzlich dient er zur Aufnahme des geschmolzenen, zu verdampfenden Materials bei
einem Bruch des Schmelztiegels 41.
Ist das zu verdampfende Material ein dielektrisches Material, so wird in dem Schmelztiegel ein insgesamt
zylindrischer Nebenschlußring (Susceptor) 49 aus elektrisch leitfähigem Material wie Kohlenstoff, glasartigem
Kohlenstoff, Wolfram oder Tantal angeordnet.
Auf der oberen Wand 18 der Gehäuseanordnung 11
ist mittels nicht gezeigter Einrichtungen ein Block 51 mit einer in Axialrichtung verlaufenden Bohrung 52 zur
Aufnahme des oberen Teils des Hitzeschirms 47 befestigt. In einer Axialrichtung verlaufenden Senkbohrune
56 im oberen Teil des Blocks 51 ist ein ringförmiger Einsatz 54 mit einer axialen öffnung 57 befestigt, die
zusammen mit dem Schmelztiegel 41 und dem Block 51 eine Kammer 58 oberhalb des im Schmelztiegel 41
befindlichen Materials begrenzt. Der Block 51 und der Einsatz 54 bestehen ja nach der gewünschten Wirkung
aus einem bei Hochfrequenz leitfähigem Material wie Graphit oder einem bei Hochfrequenz isolierenden
Material wie Aluminiumoxid. Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform bestehen der Block und
der Einsatz aus Graphit; sie dienen zur Vorerhitzung des oberen Teils der Kammer bei eingeschalteter Induktionsspule
31.
Zum öffnen und Schließen der Kammer 58 dient ein auf dem Einsatz 54 gleitend beweglich befestigter
Verschlußschieber 61, der zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung beweglich ist. Der
Verschlußschieber 61 bildet gemäß Fig. 1 einen insgesamt rechteckigen Teil mit einer zu einem Ende hin
offenen U-förmigen öffnung 62. Längs einander gegenüberliegender Seiten des Verschlußschiebers
verlaufen nach unten ragende Flansche 63 und 64, die mit einer abgeschrägten Nut 66 in Eingriff stehen;
letztere verläuft in der Nähe der Oberseite des Einsatzes 54, so daß der Verschlußschieber seitlich
beweglich, in Axialrichtung jedoch unbeweglich ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen Einsatz 54
und Verschlußschieber 61 aus Graphit. Zwischen der oberen Oberfläche des Einsatzes 54 und der unteren
Oberfläche des Verschlußschiebers 61 besteht eine dichte Abdichtung. Gegebenenfalls kann ein anderer
geeigneter Schieber oder Verschluß anstelle des oben beschriebenen Verschlußschiebers 61 angewendet werden.
*.
An dem der U-förmigen öffnung 62 gegenüberliegenden Ende des Verschlußschiebers 61 ist ein Betätigungsbügel 68 vorgesehen, der über eine Verbindungsstange
69 mit einem Antrieb, beispielsweise einem hydraulischen oder pneumatischen, nicht gezeigten Zylinder
verbunden ist, der den Verschlußschieber 61 zwischen seiner geöffneten und seiner geschlossenen Stellung
antreibt.
Zur weiteren Verbesserung der Wirksamkeit des Dampfes in der Beschichtung oder zur Verhinderung
unerwünschter Reaktionen im Beschichtungsprozeß ist eine Einrichtung zur Injektion zusätzlicher Materialien
in die Kammer 58 vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungsform enthält diese Einrichtung mehrere,
radial durch den Block 51 verlaufende Einlaßkanäle 73, die mit einem außerhalb des Gehäuses 11 befindlichen
Verteiler 72 in Verbindung stehen. Der Verteiler 72 ist mit einer nicht gezeigten Quelle zur Injektion des
gewünschten Materials in die Kammer verbunden.
Betrieb und Benutzung sowie das erfindungsgemäße Verfahren verlaufen folgendermaßen: Es sei angenommen,
daß sich die Dampfquelle 10 in einer geeigneten Vakuumkammer befindet und daß oberhalb der Quelle
in der Kammer zu beschichtende Gegenstände angeordnet sind. Es sei weiter angenommen, daß die
Durchführungen 32 und 33 mit einer geeigneten hochfrequenten Spannungsquelle und mit Kühlmittelleitungen
verbunden wurden. Das zu verdampfende Material 71 befindet sich im Schmelztiegel 41 und, falls
es sich um ein dielektrisches Material handelt, auch der Neben- oder Kurzschlußring 49. Darauf wird der
Schieber 61 geschlossen, wobei die öffnung 62 nicht mit der öffnung 57 fluchtet. Die Kammer 58 und die
Kammer oberhalb der Dampfqueile sind beide cvaku
iert. Darauf wird der Induktionsspule 31 hochfrequente
10
15
20
25
Energie zugeführt, so daß die im Schmelztiegel befindlichen Materialien durch Induktionsheizung erhitzt
werden. 1st die Verdampfungstemperatur des Materials überschritten, so wird oberhalb des zu
verdampfenden Materials in der Kammer 58 ein Druck erzeugt. Infolge dieses Druckanstiegs kann die Temperatur
des Verdampfungsmittels weiter erhöht werden, während die Verdampfung durch den steigenden Druck
in der geschlossenen Kammer begrenzt wird. Hierdurch kann das zu verdampfende Material überhitzt werden,
wodurch sich in der Kammer ein verhältnismäßig hoher Sattdampfdruck einstellt.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können Temperaturen des zu verdampfenden Materials erreicht werden, die höher als die bekanntermaßen
möglichen sind, da die Verdampfung durch den erhöhten Druck in der Kammer verhindert wird. Vor
der Entspannung hat der Dampf wegen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckgefälles zwischen
Kammer und umgebendem Vakuum vor der öffnung des Ventils zusätzliche kinetische Energie.
Bei geschlossener Kammer können durch den Verteiler 72 und die Kanäle 71 gewünschtenfalls
zusätzliche Materialien injiziert werden. Bei der Abscheidung von S1O2 beispielsweise kann der Dampf
mit O2 angereichert werden, um die Menge des ansonsten abgeschiedenen SiO zu verringern. Bei der
Injektion oxidierender Materialien kann es zum Schutz des Graphits wünschenswert sein, zunächst ein inertes
Gas z. B. Argon oder Stickstoff, zu injizieren. Das inerte Gas kann dann vor dem öffnen des Verschiußschiebers
61 durch das gewünschte Oxid ersetzt werden.
Haben Temperatur und Druck in der Kammer 58 die gewünschte Höhe erreicht, und wurde gegebenenfalls
zusätzliches Material injiziert, so wird der Verschlußschieber 61 geöffnet und die öffnung 62 auf die öffnung
57 ausgerichtet. Der Dampf wird dann in überhitztem Zustand und unter hohem Druck mit hoher kinetischer
Energie auf die zu beschichtenden Gegenstände aufgebracht.
Im überhitztem Zustand haben manche Verdampfungsmittel die Tendenz, flüssige Tröpfchen auszuscheiden,
die mit den zu beschichtenden Gegenständen kollidieren. Hierdurch kommt es zu unbrauchbaren
Überzügen. In manchen Fällen werden diese Tröpfchen infolge heftiger Bewegungen der Schmelze an ihrer
Oberfläche ejiziert, die durch das Sieden oder Verdampfen an der Grenzfläche zwischen Schmelze
und Tiegel entstehen. Diese Erscheinung ist besonders deutlich, wenn der Tiegel aus einem elektrisch
leitfähigen Material besteht und die induzierte hochfrequente Energie mit dem Tiegel gekoppelt ist, so daß der
Tiegel wärmer ist als das aufzudampfende Material und der Wärmestrom in Richtung vom Tiegel zum zu
verdampfenden Material verläuft. Diese Schwierigkeit kann dadurch vermieden werden, daß die Induktionsspule
abgeschaltet und abgewartet wird, bis Tiegel und aufzudampfendes Material auf gleicher Temperatur
liegen, bevor der Verschluß geöffnet wird. Wenn darauf der Verschluß geöffnet wird, ergibt sich eine sehr
heftige Verdampfung bei einem Minimum ejizierter Tropfen.
Die Erfindung hat eine Anzahl wichtiger Merkmale
40
so
M) und Vorteile. Wegen der hohen Dampfdichte und kinetischen Energie des entspannten Dampfes erfolgt
die Beschichtung sehr schnell und es ergibt sich ein sehr günstiger »um die Ecken«- oder »Rückseiten«-Beschichtungseffekt,
im Gegensatz zu der normalen kosinusförmigen Verteilung bei herkömmlichen Dampfbeschichtungsquellen.
Bei einer bestimmten Stärke der Beschichtung bleibt die Temperatur des Substrats oder
eines anderen zu beschichtenden Gegenstandes wesentlich unterhalb der Temperatur, die während der
Aufbringung eines Überzuges gleicher Stärke auf herkömmliche Weise erreicht wird. Dieser begrenzte
Anstieg der Substrattemperatur ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Substrat aus einem Kunststoff
oder einem Material besteht, dessen strukturelle Eigenschaften sich bei verhältnismäßig niedriger Temperatur
ändern. Die Erfindung kann bei einer großen Vielfalt von Überzug- und Substratmaterialien angewendet
werden. Beispielsweise kann das Überzugmaterial aus einem Metall oder einem Dielektrikum
bestehen; das zu überziehende Material kann aus einem beliebigen Material bestehen, das aus der Dampfphase
beschichtet werden kann.
Während herkömmliche Verdampfungsquellen auf ein Verteilungsmuster senkrecht zur Oberfläche des
Bedampfungsmaterials beschränkt sind, kann die erfindungsgemäße Dampfquelle den Dampf unter einem
beliebigen Winkel zur Oberfläche des aufzudampfenden Materials richten. Bei einer herkömmlichen Dampfquelle
entsteht der Dampf an der Oberfläche des Bedampfungsmaterials, das ganz oder teilweise eine
Flüssigkeit ist, und wird in einem Tiegel, Herd od. dgl. unter dem Einfluß der Schwerkraft gehalten. Bei der
erfindungsgemäßen Dampfquelle erfolgt dagegen die Dampfabgabe von dem überhitzten, unter hohem Druck
stehenden, in der Kammer zwischen dem Verschluß und der Schmelze eingeschlossenen Dampf. Der Verschluß
kann daher so ausgerichtet werden, daß der Dampf in einer beliebigen gewünschten Richtung, z. B. parallel zur
Oberfläche der Schmelze abgegeben wird.
Die Injektion zusätzlicher Materialien in die geschlossene Kammer hat eine Reihe von Vorteilen. Diese
Materialien werden bei einer Temperatur injiziert, bei der der Dampf in einem stark reaktiven Zustand ist.
Diese Technik erlaubt die Ablagerung chemischer Verbindungen, die bei der Anwendung offener Kammern
sonst nicht leicht aufgetragen werden können. Diese Technik macht es weiter möglich, den Verlust von
Komponenten aus dem abzuscheidenden Material zu kompensieren, was bei der Anwendung offener Quellen
zuweilen vorkommt. Wird beispielsweise S1O2 in einer
offenen Dampfquelle erhitzt, so geht normalerweise Sauerstoff aus der Verbindung verloren, und die sich
ergebenden Überzüge sind reicher an Silizium, als es durch die chemische Formel S1O2 angegeben wird
Durch Einleitung von Sauerstoff in die geschlossene Kammer vor ihrer öffnung kann der Verlust an
Sauerstoff ausgeglichen werden und es wird tatsächlich S1O2 als Überzug aufgebracht. Die Ablagerung von SiO;
ist freilich nur als Beispiel beschrieben; diese Technik kann allgemein bei Materialien angewendet werden, be:
denen normalerweise bei Erhitzung in einer offener Kammer einer oder mehrere Bestandteile verlorenge
hen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zum explosionsartigen Bedampfen eines Substrats im Vakuum, bei dem das Substrat
schlagartig einem Dampf ausgesetzt wird, d a durch gekennzeichnet, daP ^as Bedampfungsmaterial
in einer geschlossen! rammer bis
zur Verdampfung erhitzt wird, wobui während der Verdampfung des Materials in der Kammer ein
Druck aufgebaut wird, und daß die Kammer bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes geöffnet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material induktiv erhitzt wird. '5
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Heizung vor dem öffnen
der Kammer ausgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzliches Material vor dem öffnen der Kammer in dieselbe injiziert wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch eine Kammer (58) zur Aufnahme des Bedampfungsmaterials (71), durch eine Heizung zur
Erhitzung des Materials in der Kammer, und durch einen die Kammer verschließenden, abnehmbaren
Deckel.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung aus einer außerhalb der
Kammer (58) angeordneten Induktionsspule (31) besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 gekennzeichnet durch in die Kammer (58) verlaufende Kanäle (73)
zur Injektion zusätzlichen Materials in die geschlossene Kammer (58).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Kammer (58) verlaufenden
Kanäle (73) an ihrem ihrer Mündung in die Kammer gegenüberliegenden Ende an einen gemeinsamen
Verteiler (72) angeschlossen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Deckel aus einem zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung verschiebbaren
Verschlußschieber (61) besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verschlußschieber (61)
eine U-förmige öffnung (62) vorgesehen ist, wobei die Schenkel des U parallel zur Verschiebungsrichtung
des Verschlußschiebers verlaufen.
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