DE2821130A1 - Verdampfertiegel mit zufuehrung des verdampfungsmaterials in form von stangen durch den tiegelboden - Google Patents

Description

17. März 1978 78508

LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verdampfertiegel mit Zuführung des Verdampfungsmaterials in Form von Stangen durch den Tiegelboden "

Die Erfindung betrifft einen Verdampfertiegel mit Zuführung des Verdampfungsmaterials in Form von Stangen durch den Tiegelboden und mit einem mit Abstand vom Umfang der Stangen angeordneten Rand.

Die Bodenchargierung von Verdampfertiegeln mit stangenförmigem Verdampfungsgut ist durch die DE-OS 19 59 411 bekannt. Hierbei

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wird die Oberfläche der Stange durch ein Elektronenstrahlblindel beschossen, so daß sich an der Auftreffstelle der Elektronenstrahlen ein Schmelzsee ausbildet, von dem die Verdampfung ausgeht. Der Innenquerschnitt des bekannten Verdampfertiegels stimmt jedoch im wesentlichen mit dem Stangenquerschnitt überein. Derartige Verdampferquellen haben infolgedessen eine punktförmige Wirkung, d.h. die von den Verdampferquellen ausgehende Dampfkeule hat in horizontaler Richtung nur einen begrenzten Querschnitt, so daß es nicht möglich ist, im Dampfstrom eine Vielzahl von Substraten anzuordnen und auf diesen auch noch Schichten mit gleichmäßiger Dicke und gleichmäßiger Schichtzusammensetzung zu erzeugen. Eine merkliche Ungleichmäßigkeit bleibt auch dann noch erhalten, wenn man eine Vielzahl derartiger Verdampferquellen in einem sogenannten Verdampferfeld anordnet.

Es ist weiterhin bekannt, den Öffnungsquerschnitt des Tiegels im Bereich des Schmelzsees am oberen Ende der Stange auf ein Mehrfaches des Stangenquerschnitts zu vergroßem. Hierbei hat der Schmelzsee eine horizontale Ausdehnung, die über den Umfang der vom Boden her zugeführten Stangen hinaus geht. Auch hierbei läßt sich durch eine Mehrfachanordnung derartiger Verdampferquellen kein einigermaßen homogener Dampfstrom erzeugen, in dem sich eine Vielzahl von Substraten unterbringen liesse, auf denen gleichmäßige Schichten erzeugt werden sollen. Hierbei ist

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zu berücksichtigen, daß mit steigendem Durchmesser des Öffnungsquerschnitts des Tiegels die horizontalen Abstände mehrerer Tiegel zunehmen müssen, wodurch der Ungleichförmigkeitsgrad wieder erhöht wird.

Ein weiteres Problem besteht bei wassergekühlten Verdampfertiegeln, in denen sich ein Schmelzsee bzw. ein Schmelzbad befindet, darin, daß sich auf der Innenfläche des Verdampfertiegels eine erstarrte Metallschicht ausbildet, die als "Schale" oder auch als "Skull" bezeichnet wird. Diese erstarrte Metallschicht hat die an sich erwünschte Wirkung, daß sie Wechselwirkungen zwischen dem Verdampfungsgut und dem Verdampfertiegel verhindert. Bei einer Bodenchargierung mit stangenförmigem Material hat die erstarrte Schicht jedoch die unerwünschte Begleiterscheinung, daß sie gelegentlich an den Stangen "festfriert", so daß das schalenförmig erstarrte Material zusammen mit den nachgeschobenen Stangen angehoben wird. Hierbei entsteht unter der Schale ein Hohlraum, in den eine Teilmenge des Schmelzsees einfließt, sobald die Schale aufgrund der veränderten Wärmebilanz durch Wegfall der Kühlung örtlich durchschmolzen wird. Hierdurch wird zu nicht vorhersehbaren Zeitpunkten ein merklicher Teil des Verdampfungsmaterials dem Verdampfungsvorgang entzogen, wodurch Unregelmäßigkeiten im Beschichtungsvorgang eintreten, da die Kondensationsrate notwendigerweise von der Verdampfungsrate abhängig ist.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verdampf ertiegel der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß der Badspiegel des Schmelzsees eine möglichst große, ununterbrochene Flächenausdehnung erhält, und daß ferner verhindert wird, daß die sich im Tiegel ausbildende Schale von den nachgeführten Stangen vom Tiegelboden abgehoben wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verdampfertiegel erfindungsgemäß dadurch, daß der Tiegelboden mit mehreren Bodenöffnungen für die Zuführung mehrerer Stangen versehen ist, und daß in der unmittelbaren Umgebung der Bodenöffnungen auf dem Tiegelboden Erhebungen angeordnet sind, durch die der Abstand vom Tiegelboden bis zum höchsten Füllstand des Ver-Dampfungsmaterials um mindestens 15% verringert wird.

Die Erfindung besteht zunächst einmal in der baulichen Vereinigung mehrerer Einzeltiegel mit Bodenchargierung zu einem einheitlichen, großflächigen Verdampfertiegel. Diese Maßnahme allein hat sich jedoch wegen der bereits beschriebenen Anhebung der Schale aus erstarrtem Verdampfungsmaterial als nicht ohne weiteres durchführbar erwiesen. Durch die Hinzunahme der genannten Erhebungen auf dem Tiegelboden entsteht jedoch an der Stelle der Erhebungen eine Art verminderter oder geschwächter Querschnitt in der Schale aus erstarrtem Material, die praktisch keine Festigkeit hat , so daß die Stangen durch die auf den übrigen

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Teilen des Tiegelbodens befindliche Schale hindurchgeschoben werden können. Die Schale selbst ruht dabei permanent auf dem Tiegelboden, so da3 es nicht zu dem befürchteten, plötzlichen Durchbruch der Schmelze durch die Schale kommen kann. Der Füllstand eines Verdampfertiegels ist eine konstruktive Größe, die für die Gestaltung des Tiegels maßgebend und in Bezug auf den betreffenden Tiegel vorgeschrieben ist. Durch die angegebenen Erhebungen, die den Abstand vom Tiegelboden bis zum höchsten Füllstand des Verdampfungsmaterials um mindestens 15 % verringern, wird der Temperaturgradient an der Stelle der Erhebungen verringert, d.h. die Schmelze an der Stelle unmittelbar oberhalb der Erhebungen auf einem höheren Temperaturniveau gehalten, welches die Ausbildung einer Schale mit entsprechender Wandstärke örtlieh begrenzt verhindert.

Die erfindungsgemäße Lösung kann in zwei verschiedenen Ausführungsformen dargestellt werden. Einmal können die Erhebungen für sämtliche Bodenöffnungen durchgehend ausgebildet sein, wobei die obere Fläche der Erhebungen die Bodenöffnungen nach Art eines Rechtecks umschließt. Es ist aber auch und mit besonderem Vorteil möglich, die Erhebungen so anzuordnen bzw. auszubilden, daß jede Bodenöffnung von einer kreisringförmigen Erhebung umgeben ist.

Eine besonders vorteilhafte Konstruktion eines Verdampfertiegels, welche eine schnelle Anpassung an besondere Aufdampfbedingungen erlaubt, ist gemäß der weiteren Erfindung

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dadurch gekennzeichnet, daß der Rand als vom Tiegelboden getrenntes Bauteil ausgeführt und lösbar am Tiegelboden befestigt ist. Der Rand kann hierbei vorteilhaft in der Weise ausgebildet sein, daß der Abstand gegenüberliegender Randteile über die Länge des Verdampfertiegels unterschiedlich und in der Tiegelmittel kleiner als den Tiegelenden ist. Die angegebene Maßnahme hat folgende Wirkung: Bekanntlich ist bei gleichmäßiger Wärmebeaufschlagung eines langgestreckten Verdampfertiegels die Verdampfungsrate in der Mitte des Tiegels am größten. Durch eine Energiekonzentration der Heizenergie an den Enden des Tiegels kann in gewissem Umfang für eine Kompensation dieses Effekts gesorgt werden. Diese Kompensation findet ihre Grenze jedoch darin, daß es häufig unerwünscht ist, an den Tiegelenden allzuviel Energie zuzuführen, weil dadurch beispielsweise beim Verdampfen von Legierungen die niedrig siedenden Komponenten bevorzugt verdampft würden, so daß zwar eine gleichmäßige Schichtdicke, aber eine unterschiedliche Schichtzusammensetzung erreicht würde. Durch die angegebene Einschnürung des Tiegelrandes in der Tiegelmitte kann infolgedessen eine zusätzliche Kompensation der örtlichen Verdampfungsrate herbeigeführt werden, ohne daß diese von einer entsprechend großen Ungleichförmigkeit der Energieverteilung begleitet wäre.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und deren Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der Figuren 1 bis näher erläutert.

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Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf einen im wesentlichen

rechteckigen Verdampfertiegel für die Zuführung von fünf in einer Reihe liegenden Stangen, wobei sämtliche Bodenöffnungen

von einer durchgehenden Erhebung umgeben sind,

Figur 2 einen Verdampfertiegel nach Anspruch 1,

jedoch mit dem Unterschied, daß die Erhebung in der Weise unterteilt ausge

bildet ist, daß jede Bogenöffnung von einer kreisringförmigen Erhebung umgeben ist,

Figur 3 einen Vertikal schnitt durch den Gegenstand gemäß Figur 1 entlang der Linie III - IiI

in vergrößertem Maßstab,

Figur 4 einen Vertikalschnitt durch eine vollständige

Aufdampfanlage, in die ein Verdampfertiegel gemäß den Figuren 1 und 2 eingesetzt ist, und

Figur 5 eine Variante des Verdampfertiegels gemäß

Figur 1 mit einem Rand, bei dem der Abstand gegenüberliegender Randteile über die Länge des Verdampfertiegels unterschiedlich und in der Tiegelmitte kleiner als an den Tiegelenden ist.

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Der Verdampfertiegel 10 gemäß Figur 1 hat einen im wesentlichen rechteckigen Grundriß und ist entlang seiner längsten Symmetrieebene mit fünf Bodenöffnungen 11 versehen, die als Zylinderbohrungen ausgeführt sind, und deren Achsen in der Symmetrieebene des Verdampfertiegels liegen. Die Bodenöffnungen 11 sind im Tiegelboden 12 angeordnet und von einer durchgehenden Erhebung 13 umgeben, die gegenüber dem Tiegelboden als eine Art Hochebene ausgeführt ist. Die Höhe der Erhebung gegenüber dem Tiegelboden beträgt etwa 5 bis 6 mm, wobei dieser Wert im Zusammenhang mit einem maximalen Füllstand gegenüber dem Tiegel boden 12 von etwa 17 bis 20 mm zu sehen ist. Die Erhebung 13 hat in der Draufsicht die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Enden. Die Hochfläche geht über eine Böschung 14 in den Tiegelboden 12 über, was in der Zeichnung durch Doppellinien angedeutet ist.

Der Tiegelboden 12 ist allseitig mit einem Rand 15 umgeben, der auf seiner zur Erhebung 13 zeigenden Innenseite gleichfalls mit einer Böschung 16 versehen ist. Innerhalb des Randes 15 breitet sich ein Schmelzsee aus, sobald stangenförmiges Verdampfungsgut durch die Bodenöffnungen 11 zugeführt und an der Oberseite abgeschmolzen wird, was beispielsweise mittels eines Elektronenstrahls bewirkt werden kann. Der Flüssigkeitsspiegel erstreckt sich auch über die Erhebung 13, wobei die Tiefe des Schmelzbades an dieser Stelle jedoch geringer ist als oberhalb des übrigen Teils des Tiegelbodens 12.

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Figur 2 zeigt einen abgewandelten Verdampfertiegel 10a mit dem einzigen Unterschied, daß die in Figur 1 durchgehende Erhebung 13 in der Weise unterteilt ausgebildet ist, daß jede Bodenöffnung 11 von einer kreisringförmigen Erhebung 13a umgeben ist, die über eine kegelförmine Böschung 14a in den Tiegelboden 12 übergeht. Die Höhe der Erhebungen 13a stimmt mit der Höhe der Erhebung 13 in Figur 1 Uberein.

Einzelheiten hinsichtlich der Ausbildung des Verdampfertiegels 10 in Figur 1, die auch für den Verdampfertiegel 10a in Figur 2 gelten, sind anhand von Figur 3 näher erläutert. Der Tiegelboden 12 und die Erhebung 13 werden durch die oberen Begrenzungsflächen einer Bodenplatte 17 gebildet, die mit Kühlkanälen 18 versehen ist. Die Bodenöffnung 11 ist von einem Hohlzylinder 19 umgeben, der die Führung und Abdichtung der durch die Bodenöffnung 11 nachgeführten Stangen bewirkt. Der Rand 15 ist gleichfalls mit einem Kühlkanal 20 versehen und in einen Flanschrand 21 eingeschweißt, der den Rand 15 allseitig umgibt. Gegen die Bodenplatte 17 ist mittels mehrerer, auf den Umfang verteilter Schrauben 22, die eine Basisplatte 23 durchdringen, ein Flanschrand 24 verspannt. Gegen diesen Flanschrand 24 ist der Flanschrand 21 gleichfalls mittels mehrerer, auf den Umfang verteilter Schrauben 25 verspannt. Nach Lösen der Schrauben 25 ist der Flanschrand 21 und mit ihm der Rand 15 auswechselbar.

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Der Rand 15 weist auf seiner Innenseite die bereits be-

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schriebene Böschung 16, die der Böschung 14 der Erhebung 13 zugekehrt ist. Die Böschung 16 schließt gegenüber dem Tiegelboden 12 einen Winkel von 60 bis 80 Grad ein. An sie schließt sich nach oben hin eine weitere Böschung 26 an, deren Winkel gegenüber dem Tiegelboden 12 flacher ist und beispielsweise zwischen 30 und 60 Grad beträgt. Die zwischen den Böschungen 16 und 26 gebildete Kante 27 definiert gleichzeitig den Füllstand für die während des Verdampfungsvorganges im Tiegel 10 befindliche Legierungsschmelze. Durch den Böschungswinkel, insbesondere durch die Böschung 26 wird wirksam verhindert, daß dort während des Verdampfungsvorganges Metall kondensiert und sich zu einem dicken Wulst aufbaut. Es ist deutlich zu erkennen, daß durch die Erhebung 13 der Abstand zwischen dem Tiegelboden 12 und der Kante 27 merklich verringert wird, was zu der oben angegebenen Wirkung führt.

Anhand von Figur 4 ist der Einsatz des Verdampfertiegels in einer Yakuum-Aufdampfanlage 28 beschrieben. Diese besteht aus einer Vakuumkammer 29, die durch einen seitlich angesetzten Pumpstutzen 30 zu einem nicht dargestellten Pumpsatz führt. Oberhalb des Verdampfertiegels 10 befindet sich ein Substrathalter 31 mit mehreren , hintereinander angeordneten Substraten 32, von denen in Figur 4 jedoch nur das vorderste sichtbar ist. Der von dem Verdampfertiegel

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ausgehende Dampfstrom ist durch die Linien 33 und 34 symbolisiert. Der Verdampfertiegel 10 und die Substrate werden durch eine Elektronenstrahl kanone 35 beheizt, so daß das Verdampfen und Kondensieren von Legierungsschichten mit ausreichender Haftfestigkeit möglich ist. Innerhalb der Vakuumkammer 29 ist ein Strahlungsschutz 36 angebracht, der die Substrate und den Verdampfertiegel 10 allseitig umgibt, jedenfalls mit Ausnahme von öffnungen, die für die Beschickung und den Beschüß mit Elektronenstrahlen erforderlich sind. Ein Beobachtungsstutzen 37 mit einer Einblick-einrichtung sind seitlich angesetzt. Eine Meßeinrichtung 39 für die überwachung des Aufdampfvorganges ist seitlich unterhalb des Bodens der Vakuumkammer 29 angeordnet.

Der Verdampfertiegel 10 ist auf einem Fahrgestell 40 befestigt, und zwar mittels einer Tragplatte 41, die sich über vier Hubspindeln 42, von denen nur die beiden vorderen sichtbar sind, auf dem Fahrgestell 40 abstützt, über einen Antriebsmotor 43, ein Riemenvorgelege 44 und Spindelmuttern 45 ist es möglich, den Verdampfertiegel soweit aus der Vakuumkammer 29 abzusenken, daß er zusammen mit dem Fahrgestell 40 auf Schienen 46 in Richtung des Pfeils 47 seitlich unter der Vakuumkammer 29 herausgefahren werden kann. In der Vakuumkammer 29 befindet sich eine öffnung 48, die während des Betriebes durch die Tragplatte 41 vakuumdicht verschlossen ist.

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Unterhalb der Tragplatte 41 befindet sich eine Chargiereinrichtung 49, die aus einem evakuierbaren Kessel 50 mit einer Chargieröffnung 51 und einer Stangenvorschubeinrichtung 52 besteht. Diese besteht wiederum aus einer Stangenführung 53, die sich nach unten hin koaxial an die Bodenöffnungen 11 bzw. den Hohlzylinder 19 (Figur 3) anschließt. In der Stangenführung 53 sind mehrere Stangen 54, die aus der aufzudampfen Legierung bestehen, aufgestapelt. Sie werden durch eine motorisch angetriebene Hubeinrichtung 55 mit der gleichen Geschwindigkeit in den Verdampfertiegel 10 eingeführt, mit der sie in diesem geschmolzen werden. Die Hubeinrichtung 55 wird durch einen Antriebsmotor 56 und ein Riemenvorgelege 57 angetrieben.

In Figur 5 ist ein Verdampfertiegel 10b dargestellt, dessen Rand 15b kein Rechteck beschreibt, sondern bei dem der Abstand gegenüberliegender Randteile über die Länge des Verdampfertiegels unterschiedlich und in der Tiegelmitte kleiner als an den Tiegelenden ist. Auf diese Weise wird der Verdampfertiegel 10 - in Längsrichtung gesehen - in fünf Zonen A-B-C-B-A unterteilt, von denen die an den Tiegelenden liegenden Zonen A eine erheblich größere Breite haben als die in der Tiegelmitte liegende Zone C. Der Verlauf des Randes 15b in den Zonen B ist so gewählt, daß sich die einzelnen Randteile im wesentlichen übergangslos aneinander anschliessen. Durch die Verringerung der Breite des Verdampfertiegels 10b in der mittleren Zone C

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wird an dieser Stelle die Verdampfungsrate der gesamten Badfläche und damit auch der Wärmebedarf für den Verdampfungsvorgang abgesenkt. Diese Maßnahme trägt erheblich zur Vergleichmäßigung der Schichtdicke und der Schichtzusammensetzung über die gesamte Länge des Verdampfertiegels 10b bei.

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Claims (7)

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ANSPRÜCHE:

Verdampfertiegel mit Zuführung des Verdampfungsmaterials in Form von Stangen durch den Tiegelboden und mit einem mit Abstand vom Umfang der Stangen angeordneten Rand, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelboden (12) mit mehreren Bodenöffnungen (11) für die Zuführung mehrerer Stangen (54) versehen ist, und daß in der unmittelbaren Umgebung der Bodenöffnungen auf dem Tiegelboden Erhebungen (13, 13a) angeordnet sind, durch die der Abstand vom Tiegelboden bis zum höchsten Füllstand des Verdampfungsmaterials um mindestens 15% verringert wird.

2. Verdampfertiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (13) für sämtliche Bodenöffnungen (11) durchgehend ausgebildet sind, und daß die obere Fläche die Bodenöffnungen nach Art eines Rechtecks umschließt.

3. Verdampfertiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bodenöffnung (11) von einer kreisförmigen Erhebung (13a) umgeben ist.

4. Verdampfertiegel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen rechteckigen Verlauf des Randes (15) und durch die Anordnung der Bodenöffnungen (11) in einer Reihe.

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5. Verdampfertiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (15, 15b) als vom Tiegelboden (12) getrenntes Bauteil ausgeführt und lösbar am Tiegelboden befestigt ist.

6. Verdampfertiegel nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand gegenüberliegender Randteile über die Länge des Verdampfertiegels unterschiedlich und in der Tiegelmitte kleiner als an den Tiegelenden ist.

7. Verdampfertiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (15, 15b) als Hohlprofil mit einem Kühlkanal (20) ausgebildet ist.

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