DE2917841A1

DE2917841A1 - Verdampfer fuer vakuumaufdampfanlagen

Info

Publication number: DE2917841A1
Application number: DE19792917841
Authority: DE
Inventors: Walter Heil; Peter Dr Sommerkamp
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1979-05-03
Filing date: 1979-05-03
Publication date: 1980-11-13
Also published as: FR2455635B3; GB2049738B; NL8001224A; US4328763A; FR2455635A1; GB2049738A; JPS55152178A

Description

3. Apri11979 79503

-X-

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verdampfer für Vakuumaufdampfanlagen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdampfer für V aufdampfanlagen, insbesondere Elektronenstrahl verdampfer, mit einem Tiegel und mehreren in eine Verdampfungsposition bewegbaren Tiegelausnehmungen sowie mit einer Dampfleiteinrichtung und einer Blende für die Unterbrechung des Dampfstromes.

0300A6/0226 _ ₅ _

3. April 1979 78503

Die von Verdampfern ausgehenden sogenannten Dampfstrahlen sind verhältnismäßig diffus und breiten sich in Form einer Dampfkeule aus, wobei es unvermeidbar ist, daß auch andere Flächen als die zu bedampfenden Substratflächen einen Dampfniederschlag erhalten. Es ist bekannt, Dampfstrahlen durch Dampfleiteinrichtungen, Reflektoren etc. zu konzentrieren bzw. umzulenken, die dem betreffenden Verdampfer fest zugeordnet sind. Hierbei ist es recht unproblematisch, daß der Dampf auf der Leiteinrichtung kondensiert. Auch kann durch ein entsprechendes Temperaturniveau der Dampfleiteinrichtung dafür Sorge getragen werden, daß sich kein Dampfkondensat bildet.

Schwierigkeiten treten jedoch dann auf, wenn sogenannte Mehrnapftiegel zum Einsatz kommen, aus denen unterschiedliche

Substanzen verdampft werden, die sich gegenseitig nicht

kontaminieren dürfen. Eine derartige Notwendigkeit ist beispielsweise beim Aufdampfen von sogenannten Interferenzschichtsystemen aus Einzelschichten mit unterschiedlichen Brechungsindices bei optischen Erzeugnissen, oder beim Auf dampfen von abwechselnd leitfähigen und isolierenden Schichten bei elektronischen Erzeugnissen gegeben.

Zur Unterdrückung der gegenseitigen Kontamination der einzelnen Aufdampfsubstanzen ist es bei einem Verdampfer mit einem Mehrnapftiegel, jedoch ohne Leiteinrichtung, bekannt, oberhalb des Tiegels eine Abschirmplatte anzuordnen, die an der Stelle mit einer öffnung versehen ist, an der sich eine

dejr Tiegelausnehmungen in der Verdampfungsposition befindet,

030046/0226

.._ — 6 — -

3. April 1979 79503

während die Projektion der Abschirmplatte die übrigen Tiegelausnehmungen abdeckt. Abgesehen von dem Verzicht auf die Dampfleiteinrichtungen läßt sich hierbei eine wechselseitige Verunreinigung der Verdampfungssubstanzen nicht verhindern, da wegen der Beweglichkeit des Mehrnapftiegels zwischen diesem und der Abschirmplatte ein, wenn auch enger, Spalt vorhanden ist, durch den Material zur benachbarten Substanz hinüber dampfen kann. Außerdem kondensiert auf der Abschirmplatte ein Teil des Dampfes, der in die benachbarte Substanz gelangen kann.

Eine weitere Gefahr wechselseitiger Verunreinigung entsteht durch die in den Dampfstrom einschwenkbare Blende, auf der unvermeidbar ein Teil des Dampfes kondensiert. Nach Erreichen einer mehr oder weniger großen Schichtstärke beginnt der Belag auf der Blende, sich abzuschälen, wobei nicht auszuschliessen ist, daß Partikel einer oder mehrerer Substanzen in den iiegelnapf mit einer anderen Substanz fallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfer der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem mehrere unterschiedliche Substanzen ohne wechselseitige Kontamination quantitativ nacheinander verdampft werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verdampfer erfindungsgemäß dadurch, daß oberhalb des Tiegels eine Dampfleiteinrichtung mit mehreren Dampfschirmen vorgesehen ist, die einzeln auf den Rändern

Q30046/0226

3. April 1979 79503

der Tiegelausnehmungen durch Relativbewegung zwischen Dampfleiteinrichtung und Tiegel absetzbar sind, daß die Blende mehrere Blendenflügel aufweist, die einzeln über den jeweils in der Verdampfungsposition befindlichen Dampfschirm bewegbar sind, und daß der Dampfleiteinrichtung und der Blende Antriebe zugeordnet sind, durch welche einer bestimmten Tiegelausnehmung jeweils der gleiche Dampfschirm bzw. der gleiche Blendenflüge! zuzuordnen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist der Vorteil verbunden, daß einander jeweils nur die gleichen Teile (Tiegelausnehmungen, Dampfschirme und BlendenflUgel) zugeordnet werden können, auf denen gegebenenfalls Kondensate der gleichen Verdampfungssubstanz zu finden sind. Infolge der Auflage der Dampfleiteinrichtung auf dem Rand der Tiegelausnehmung wird jeglicher seitliche Spalt zuverläßig geschlossen, durch den Dampfpartikel diffundieren könnten. Es sind weder ein Hinüberdampfen noch eine Rückdiffusion von aufgedampften Schichten auf andere Materialien möglich. Verdampfertiegel, Dampfschirm und Blendenflügel bilden hierbei einen weitgehend geschlossenen Raum. Dadurch ist es möglich, zwei oder mehr unterschiedliche Substanzen ohne gegenseitige Beeinträchtigung der Schichtqualitäten auf den Substratflächen niederzuschlagen.

Beim Weiterschalten von Tiegel, Dampfleiteinrichtung und Blende wird im allgemeinen eine kurze Zeitspanne gewartet, bis der Inhalt der betreffenden Tiegelausnehmung soweit abgekühlt ist, daß kein Dampfstrom mehr gebildet wird. Der Erfindungsgegenstand läßt sich jedoch dadurch vorteilhaft weiter ausgestalten, daß oberhalb des Tiegels eine Abschirm-

0300A6/022 6

3. April 1979 79503

platte angeordnet ist, die an der Stelle mit einer Öffnung versehen ist, an der sich eine der Tiegel ausnehmungen in der Verdampfungsposition befindet, während die Projektion der Abschirmplatte die übrigen Tiegelausnehmungen abdeckt, und daß die Dampfschirme einzeln durch die Öffnung der Abschirmplatte hindurch auf den Rändern der Tiegelausnehmungen absetzbar sind. Durch diese Maßnahme läßt sich eine raschere Fortschaltung von Tiegel, Dampfleiteinrichtung und Blende erreichen, da ein Abkühlen der gerade erst verdampften Substanz nicht mehr abgewartet zu werden braucht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer vollständigen Vakuumaufdampfanlage mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer,

Figur 2 einen Querschnitt durch den Verdampfertiegel

und die oberhalb angeordnete Abschirmplatte und

Figur 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der wesentlichen Antriebsteile für die Dampfleiteinrichtung und für die Blende.

030046/0226

3. April 1979 79503

In Figur 1 ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt, die aus einer anhebbaren Glocke 11 und aus einer Grundplatte 12 besteht und über eine Saugöffnung 13 mittels eines nicht dargestellten Pumpsatzes evakuierbar ist. Unterhalb der Grundplatte 12 befindet sich ein Druckmittelantrieb 14 mit einer nicht dargestellten Kolbenstange, die innerhalb eines Faltenbalges 15 verläuft und mit einer waagrechten Plattform 16 verbunden ist, so daß diese bei Betätigung des Druckmittelantriebs 14 in senkrechter Richtung bewegbar ist.

Auf der Plattform 16 ist ein Elektronenstrahl verdampfer angeordnet, der in seinen wesentlichen Teilen Stand der Technik ist und daher nicht näher beschrieben zu werden braucht. Einzelheiten eines solchen Verdampfers sind der DE-PS 22 06 995 zu entnehmen. Beim Betrieb eines derartigen Elektronenstrahl Verdampfers wird ein Elektronenstrahl 18 erzeugt, der in Richtung auf einen drehbaren Tiegel 20 abgelenkt wird, der unterhalb einer Abschirmplatte 19 angeordnet und im vorliegenden Fall mit drei auf einem Kreis angeordneten Tiegelausnehmungen 21, 22 und 23 versehen ist. Die Abschirmplatte 19 ist an einer Stelle mit einer öffnung 24 versehen, an der sich die Tiegelausnehmung 21 in der Verdampfungsposition befindet. Der Querschnitt der öffnung 24 ist dabei geringfügig größer als der obere Querschnitt der Tiegelausnehmungen. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß jede der Tiegelausnehmungen zum Fluchten mit der öffnung 24 gebracht werden kann. Durch die Abschirmplatte 19 werden die übrigen Tiegelausnehmungen 22 und 23 abgedeckt, während sich die Tiegelausnehmung 21 in ihrer Ver-

030046/0226

- ίο -

3. April 1979 79503 /fO

dampfungsposition befindet. Wie speziell aus Figur 2 hervorgeht, ist der Tiegel 20 mit einem Zahnrad 25 versehen, in welches ein Ritzel 26 eingreift, welches mit einer nicht dargestellten Antriebswelle verbunden ist. Die Steuerung bzw. der Antrieb des Ritzels 26 erfolgen gleichfalls durch den Faltenbalg 15 hindurch.

Seitlich neben der Plattform 16 ist eine senkrechte Welle 27 angeordnet, an deren oberem Ende eine Dampfleiteinrichtung 28 angeordnet ist. Diese besteht aus einer waagrechten

Platte 29 mit drei auf einem Kreis angeordneten Dampf-

schirmen 31, 32 und 33, wobei der Mittelpunkt des Kreises durch die Welle 27 bestimmt wird. Die Dampfschirme sind als hohle Umdrehungskörper, speziell als Hohlkegel ausge-. bildet, deren kleinere Öffnung nach unten gerichtet ist.

Die unteren Ende der Dampfsch\rme sind in der Weise auf

die Tiegelausnehmungen 21, 22 und 23 sowie auf die öffnung abgestimmt, daß die Dampfschirme einzeln durch die Öffnung hindurch auf den Rändern der Tiegelausnehmungen absetzbar sind. Dies geschieht im vorliegenden Falle dadurch, daß bei definierter Winkelstellung der Dampfleiteinrichtung 28 die Plattform 16 und damit der Elektronenstrahlverdampfer mittels des Druckmittelantriebs 14 angehoben und von unten gegen den betreffenden Dampfschirm 31 gepreßt werden. In den Dampfschirmen ist je ein Fenster 30 angeordnet, durch welches der Elektronenstrahl 18 in die jeweilige Tiegelausnehmung einschießbar ist. In der Tiegelausnehmung befindet sich die jeweils zu verdampfende Substanz. Der sich beim Beschüß dieser Substanz mit dem Elektronenstrahl 18 ausbildende Dampfstrahl 34 ist durch gestrichelte, divergierende

030046/0226

3. April 19 79 79503

Linien dargestellt. Der Dampfstrahl trifft auf nicht dargestellte Substrate auf, die an einem gleichfalls nicht dargestellten Substrathalter befestigt sind, der sich oberhalb des Elektronenstrahl Verdampfers 17 befindet.

Auf der der Welle 27 gegenüberliegenden Seite der Plattform 16 ist eine weitere senkrechte Welle 35 angeordnet, an deren oberem Ende sich eine Blende 40 befindet. Diese besteht aus einer waagrechten Platte mit drei Blendenflügeln 41, 42 und 43, die nach Art eines Kleeblattes in der Weise geformt sind, daß sie in der dargestellten Stellung die obere Öffnung des in Verdampfungsposition befindlichen Dampfschirms 31 freilassen, diese Öffnung jedoch nach Drehung der Welle 35 um einen Winkel von 60 Grad praktisch vollständig ve rs chiiessen können.

Die Platte 29 und die Blendenflügel 41, 42 und 43 liegen in zwei parallelen Ebenen, wobei die Blendenflügel so dicht oberhalb der Dampfschirme 31, 32 und 33 angeordnet sind, daß gerade eben eine ungehinderte Bewegung der Teile zueinander möglich ist.

Sowohl der Welle 27 als auch der Welle 35 sind Antriebe und 37 zugeordnet, die in Figur 3 im Detail dargestellt sind. In Figur 1 ist nur der Antrieb 37 der Welle 35 in gekapseltem Zustand dargestellt. Mittels dieser Antriebe sind die Wellen bzw. 35 in der Weise in Drehung versetzbar, daß die Dampfleiteinrichtung 28 schrittweise um Winkel von 120 Grad drehbar ist, wohingegen die Welle 35 in Schritten von 60 Grad drehbar

030046/0226

- 12 -

3. April 1979 79503

ist, je nachdem, ob der Dampfstrahl 34 frei gegeben oder gesperrt werden soll. In jedem Fall wird durch die Synchronisation der Antriebe 36 und 37 sowie ihrer nicht dargestellten Steuerelemente dafür Sorge getragen, daß jeweils nur die gleichen Kombinationen von Tiegelausnehmung, Dampfschirm und Blendenflügel zusammenwirken, nämlich 21/31/41 bzw. 22/32/42 bzw. 23/33/43. Hierdurch treffen jeweils nur Teile zusammen, deren Oberflächen mit der gleichen, aufzudampfenden Substanz beschichtet sind, so daß auch ein etwaiges Abplatzen von Oberflächenschichten und deren Hineinfallen in die betreffende Tiegel ausnehmung nicht zu einer Kontamination der Verdampfungssubstanz führen können. Auf die angegebene Weise ist weder eine Beheizung der Dampfschirme noch der Blendenflügel zur Verhinderung einer Kondensation erforderlich. Dieser Verzicht auf eine Beheizung ist deswegen von besonderer Bedeutung, weil für eine Kondensations verhinderung der meisten Stoffe erhebliche Oberflächentemperaturen erforderlich wären, die in den meisten Fällen eine unzulässige Wärmebeanspruchung der Substrate und der gesamten Anlage mit sich bringen würde.

Gemäß Figur 3 ist an der rechten Welle 27, die hier nur als gestrichelte Linie dargestellt ist, ein Antrieb 36 befestigt, der als Klinkengetriebe mit einer Klinke 44 und mit einem Klinkenrad 45 ausgeführt ist. Das Klinkenrad 45 besitzt eine gerade Zahl von Zähnen 46, die ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl der Tiegelausnehmungen ausmachen. Bei drei Tiegel ausnehmungen werden zweckmäßig sechs Zähne auf dem

0300A6/0226

- 13 -

3. April 1979 79503

-MT-

-Au-ffang des Klinkenrades gleichförmig verteilt vorgesehen, so daß das Klinkenrad 46 für die Dampfleiteinrichtung 28 beispielsweise in zwei Schritten um 120 Grad gedreht werden kann.

Zu diesem Zweck befindet sich die Klinke 44 in einem Klinkenhalter 47, der am Ende einer Kolbenstange 48 eines Druckmittelzylinders 49 angeordnet ist. Der Druckmittelzylinder 49 ist am jenseitigen Ende mittels eines senkrechten Zapfens 50 an einer Lagerplatte 51 befestigt, die ihrerseits über eine Stütze 52 an der Grundplatte 12 (Figur 1) befestigt ist. Auf diese Weise ist der Druckmittelzylinder 59 um den Zapfen 50 in einer Ebene schwenkbar, die parallel zur Ebene des Klinkenrades 45 verläuft. Die Schwenkbewegung geschieht entgegen der Wirkung einer Feder 53, durch welche die Klinke 44 radial gegen das Klinkenrad 45 verspannt wird. Durch einfache Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 48 wird das Klinkenrad 45, und mit ihm die Welle 27 schrittweise in Richtung des Pfeils 54 gedreht. Die Schrittlänge, als Drehwinkel ausgedrückt, von 60 Grad gestattet eine optimale Auslegung des Antriebs.

Um das Klinkenrad 45 am Ende eines jeden Einzelschritts definiert anhalten zu können, und um zu verhindern, daß das Klinkenrad von der Klinke 44 in Rückwärtsrichtung mitgenommen wird, ist das Klinkenrad 45 fest mit einem Indexrad verbunden, welches mit Ausnehmungen 56 versehen ist, deren Zahl der Zahl der Zähne 46 entspricht. In die Ausnehmungen 56 ist eine Indexrolle 57 einrastbar, die auf einem Zapfen 58 gelagert

030046/0226

- 14 -

3. April 1979 79503

ist, der in eine Bohrung 59 eines Gleitkörpers 60 eingesetzt ist. Der Gleitkörper 60 ist seinerseits längsverschiebbar in ein Gehäuse 61 eingesetzt, welches ortsfest an der Grundplatte 12 befestigt ist. Der Gleitkörper 60 wird mittels einer Feder 62 in radialer Richtung gegen das Indexrad 55 geschoben, wodurch eine zuverlässige Verrastung ermöglicht wird. Die Feder 62 ist mittels einer Verschlußschraube 63 zugänglich und einstellbar. Für den Antrieb 37 der links daneben angeordneten Welle 35 werden grundsätzlich die gleichen Elemente verwendet, lediglich in spiegelsymmetrischer Anordnung. Aus diesem Grund werden die gleichen Bezugszeichen lediglich mit dem Zusatz "a" verwendet, d.h. die Bezugszeichen 44a bis 63a. Es ist zu erkennen, daß das Gehäuse 61a mit einem Gehäuse 64 ver schraubt ist, welches seinerseits über einen Rohrstutzen 65 mit der Grundplatte 12 verschraubt ist.

Die Erfindung ist nicht auf Elektronenstrahlverdampfer beschränkt, sondern für sämtliche Verdampferarten unabhängig von deren Beheizung einsetzbar, wie beispielsweise für Wider- Standsverdampfer, Lichtbogenverdampfer, Induktionsverdampfer und Laserstrahlverdampfer. Die Tiegelausnehmungen müssen nicht notwendigerweise in einem gemeinsamen Tiegel angeordnet sein, sie können auch auf zwei oder mehrere Tiegel verteilt sein. So ist eine Anordnung mehrerer Tiegel in einer Revolverein spannung möglich, oder eine Reihenanordnung mehrerer Einzel tiegel mit einer oder mehreren Tiegelausnehmungen, die nacheinander in ihre Verdampfungsposition gebracht werden können. Unter dem Ausdruck "Tiegelausnehmungen" sind sämtliche Vertiefungen in den betreffenden Verdampfern zu verstehen, die zur Aufnahme des Verdampfungsmaterials in fester oder flüssiger

030046/0226

- 15 -

3, April 1979 79503

Form vorgesehen sind. Als Tiegel werden infolgedessen auch solche Widerstandsverdampfer Bezeichnet, die aus einem entsprechend geformten Blechstreifen bestehen und zwischen stromführenden Kontakten eingespannt sind, ohne daß eine Wasserkühlung vorgesehen wäre.

030046/0226

Claims

3. April 1979 79503

ANSPRÜCHE:

1. Verdampfer für Vakuumaufdampfen!agen, insbesondere Elek-

mindestens tronenstranlverdampfer, mit einem Tiegel und mehreren in eine Verdampfungsposition bewegbaren Tiegel ausnehmungen sowie mit einer Dampfleiteinrichtung und einer Blende für die Unterbrechung des Dampfstromes, dadurch gekenn zei chnet, daß oberhalb des Tiegels (20) eine Dampfleiteinrichtung (28) mit mehreren Dampfschirmen (31, 32, 33) vorgesehen ist, die einzeln auf den Rändern der Tiegelausnehmungen (21, 22, 23) durch Relativbewegung zwischen Dampfleiteinrichtung und Tiegel absetzbar sind, daß die Blende (40) mehrere Blendenf 1 iigel (41, 42, 43) aufweist, die einzeln über den jeweils in der Verdampfungsposition befindlichen Dampfschirm bewegbar sind, und daß der Dampfleiteinrichtung (28) und der Blende (40) Antriebe (36, 37) zugeordnet sind, durch welche einer bestimmten Tiegelausnehmung jeweils stets der gleiche Dampfschirm bzw. der gleiche Blendenflügel zuzuordnen ist.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Dampfschirme (H, 32, 33) und Blendenflügel (41, 42, 43) nach Art von Revolvern rotationssymmetrisch an Wellen (27, 35) befestigt sind.

3. Verdampfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

030046/0226

™" C. "™

3. April 1979 79503

daß die Dampfschirme (31, 32, 33) als hohle Umdrehungskörper ausgeführt sind.

4. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (20) von unten gegen die Dampfleiteinrichtung

(28) bewegbar ist.

5. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (36 bzw. 37) für die Dampfleiteinrichtung (28) bzw. die Blende (40) als Klinkengetriebe mit Klinke (44, 44a) und Klinkenrad (45, 45a) ausgeführt sind.

6. Verdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Klinkenrad (45, 45a) mit einer Zahl von Zähnen (46, 46a) ausgestattet ist, die ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl der Tiegelausnehmungen (21, 22, 23) beträgt.

7. Verdampfer nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzei chnet, daß die Klinke (44, 44a) an einer Kolbenstange (48, 48a) eines Druckmittelzylinders (49, 49a) angeordnet ist, der in einer Ebene parallel zur Ebene des Klinkenrades (45, 45a) schwenkbar ist.

8. Verdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Klinkenrad (45, 45a) mit einem Indexrad (55, 55a) verbunden ist, welches mit Ausnehmungen (56, 56a) versehen ist, deren Zahl der Zahl der Zähne (46, 46a) entspricht, und in die eine Indexrolle (57, 57a) einrastbar ist.

9. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

030046/0226

3. April 1979 79503

oberhalb des Tiegels (20) eine Abschirmplatte (19) angeordnet ist, die an der Stelle mit einer Öffnung (24) versehen ist, an der sich eine der Tiegelausnehmungen (21) in der Verdampfungsposition befindet, während die Projektion der Abschirmplatte die übrigen Tiegelausnehmungen (22, 23) abdeckt, und daß die Dampfschirme (31, 32, 33) einzeln durch die Öffnung (24) der Abschirmplatte hindurch auf den Rändern der Tiegelausnehmungen (21, 22, 23) absetzbar sind.

030046/0226