DE3010925A1 - Vacuum vapour deposition appts. using electron beam evaporator - where rotary plate contg. evapn. crucibles is cooled by molten gallium resting on water:cooled box - Google Patents

Vacuum vapour deposition appts. using electron beam evaporator - where rotary plate contg. evapn. crucibles is cooled by molten gallium resting on water:cooled box

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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
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Abstract

The appts. contains a rotating copper plate (I), in which is a circular row of holes forming crucibles contg. materials to be evaporated by the electron beam. Below plate (I) is a stationary and water-cooled copper plate (II); and heat is transferred from plate (I) to plate (II) by a layer of molten gallium. The layer of molten gallium is pref. conical in shape, so that any gas bubbles in the Ga can rapidly escape upwards. Instead of Ga, a gallium alloy contg. 13% indium, and with m.pt. 17 deg.C., can be used. Used in the mfr. of thin film transistors or similar structures, where several different materials are successively evaporated. With similar conventional appts. using only water cooling, water vapour enters the vacuum system and also the deposit, causing serious problems. These problems are eliminated by the invention.

Description

Beschreibung: Description :

Beim Vakuum-Aufdämpfen von Dünnschichten aus schwerschmelzenden Stoffen verwendet man Elektronenstrahlheizung des Materials, da man dabei nicht durch die schädliche Reaktion das Aufdampfmaterials mit dem liege!material limitiert ist.When vacuum evaporation of thin layers of refractory materials one uses electron beam heating of the material because one does not due to the harmful reaction of the vapor deposition material with the lying material is limited.

Als Tiegel verwendet man wassergekühlte Kupfernäpfe, die also kalt bleiben. Das Aufdampfmaterial wird von der Oberfläche her erhitzt. Oft will man mit demselben Elektronenstrahl nacheinander mehrere Stoffe für Dünnfilmstrukturen aufdampfen, ohne das Vakuum zu unterbrechen. Es ist dabei einfacher, den Elektronenstrahl stationär zu halten, und die Tiegel unter ihm zu bewegen, als umgekehrt. Die Tiegel sind als Näpfe in eine kreisrunde Kupferplatte eingefräst, die von unten wassergekühlt ist. Da diese Tiegelplatte gedreht v/erden muß, ist die hochvakuumdichte Zu- und Ableitung des Kühlwassers ein schwieriges Problem. Die Vakuumformen verwenden trotz bekannter undichtigkeit Metall-Gummi-Dichtungen ähnlich der in Abb. 1 gezeigten, und verschweigen meist, daß bei jeder Tiegeldrehung ein Schwall von Wasserdampf in das Vakuumsystem eintritt. Wenn außerdem das Kühlwasser nicht destilliertes sondern Leitungswasser ist, bleiben die festen Rückstände oer verdampfenden Wasserhäute als kristalliner Kesselsteinbelag unter dem Gummi zurück, welche dann als Schmirgel wirken und die Metal!welle abschleifen, was zu weiteren Undichtigkeiten führt.Water-cooled copper bowls are used as crucibles, so they stay cold. The vapor deposition material is heated from the surface. Often one wants to vaporize several substances for thin-film structures one after the other with the same electron beam without breaking the vacuum. It is easier to keep the electron beam stationary and to move the crucibles below it than the other way around. The crucibles are milled into a circular copper plate as bowls, which is water-cooled from below. Since this crucible plate must be rotated, the highly vacuum-tight supply and discharge of the cooling water is a difficult problem. Despite known leaks, the vacuum molds use metal-rubber seals similar to the one shown in Fig. 1, and mostly do not mention the fact that a surge of water vapor enters the vacuum system with every rotation of the crucible. If, in addition, the cooling water is not distilled but tap water, the solid residues or evaporating water skins remain under the rubber as crystalline scale deposits, which then act as emery and abrade the metal shaft, which leads to further leaks.

Im Zuge unserer Versuche zur Verbesserung von Dünnfilmtransistoren erwies sich dieser Mangel der Aufdampfan!age als unerträglich. Denn bei jeder Drehung der Tiegelplatte trat soviel Wasserdampf ins Vakuumsystem, daß sich auf den Aufdampfschichten mehr oder minder starke Wasser-Bedeckungsschichten bildeten. Bei stärkerer Abnutzung der Dichtung stieg außerdem aer Druck im System bei jedem Drehen der Tiegelplatte so hoch (> Ιϋ~ψ nib), daß sich die Elektronenkanone aus Sicherheitsgründen abschaltete. Nach Erneuerung der O-Ringe und der Drehwelle war nach kurzer Zeit der alte Zustand wieder erreicht.In the course of our attempts to improve thin-film transistors, this lack of vapor deposition turned out to be intolerable. Because with each rotation of the crucible plate, so much water vapor entered the vacuum system that more or less thick water-covering layers formed on the vapor-deposition layers. At higher seal wear also aer pressure of the crucible plate increased in the system at each turning so high (> Ιϋ ~ ψ nib), in that the electron gun is abschaltete for safety reasons. After replacing the O-rings and the rotating shaft, the old condition was restored after a short time.

Dies führte uns zur Konstruktion der neuen, in Abbildung 2 dargestellten Anlage, v/elche dieses Problem beseitigt.This led us to the construction of the new system shown in Figure 2, v / elche eliminated this problem.

In der Abbildung 2 bedeutet:In Figure 2:

1: der magnetisch um 270° gebogene Elektronenstrahl von 10 000 Volt, max. I Ampere1: the electron beam of 10,000 volts, which is magnetically bent by 270 °, max. I amps

2: Das verdampfende Material No. 12: The evaporating material No. 1

3: Das kalte Aufdampfmaterial No. 63: The cold evaporation material No. 6th

4: Der Dampfstrahl4: The steam jet

5: Drehtisch-Kupferplatte mit 6 Näpfen5: Turntable copper plate with 6 wells

6: Stationäre Kupfer-Grundplatte, wassergekühlt6: Stationary copper base plate, water-cooled

7: Untere Verschlußplatte, Stahl, stationär7: Lower closing plate, steel, stationary

8: Flüssige Gallium- oder GaIlium-Indium-Metallschicht zur Wärmeableitung von 5 nach 68: Liquid gallium or GaIlium-indium metal layer for heat dissipation from 5 to 6

9: Überlauf-Rand des Gallium-Bassins9: Overflow edge of the gallium basin

10: Abstandshalter-Stifte10: Spacer pins

11: Kühlwasser für Toil 611: Cooling water for Toil 6

12: Zufluß-Rohr (eingeschweißt)12: Inflow pipe (welded)

13: Abflußrohr (eingeschweißt)13: Drain pipe (welded)

130040/0289 BAD GRIGaSNiAL130040/0289 BATHROOM GRIGaSNiAL

-Jr--Jr-

14: Zentraler Führungsbolzen des Drehtisches 5, Kupfer (Eisen wird anlegiert) 15: Stationäre Viton Α-Dichtung zwischen· 6 und 714: Central guide pin of turntable 5, copper (iron is alloyed) 15: Stationary Viton Α seal between 6 and 7

16: Furche für Antriebs-Gliederkette zur Rotation von 5 (greift in 4 Stifte entlang dem Umfang}16: Groove for drive link chain to rotate 5 (engages in 4 pegs along the circumference}

17: Antriebs-Gliederkette17: Drive link chain

18: Gliederketten-Antriebsrad18: Link chain drive wheel

19: Zufällige Gasblase im Gallium-Metall, entweichend19: Accidental gas bubble in the gallium metal, escaping

20: Furche zum Auffangen von überlaufendem Gallium.20: Groove to catch the overflowing gallium.

Die Konstruktion beruht auf der Erkenntnis, daß keine der bekannten Niedrigdampfdruck-Flüssigkeiten, wie die Vakuumpumpenöle, genügend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Quecksilber hat zu hohen Dampfdruck bei Zimmertemperatur und ist giftig. Gallium schmilzt bei 29 C, eine Ga-13 % In-Legierung sogar bei nur 17 C, und der Dampfdruck dieser Metalle bei 100 C ist unmeßbar klein. Da ihre Wärmeleitfähigkeit ihrer elektronischen Leitfähigkeit proportional ist (Wiedemann - Franzsches Gesetz), sind sie zwar etwa 10 mal schlechter wärmeleitfähig als Kupfer (wobei reines Gallium besser ist als die Ga-In-Legierung), aber immer noch besser als eine gasgefüllte oder evakuierte oder mit Hochvakuumpumpenöl gefüllte Spalte.The design is based on the knowledge that none of the known low-vapor pressure fluids, such as vacuum pump oils, have sufficiently high thermal conductivity. Mercury has too high a vapor pressure at room temperature and is poisonous. Gallium melts at 29 C, a Ga-13 % In alloy even at 17 C, and the vapor pressure of these metals at 100 C is immeasurably small. Since their thermal conductivity is proportional to their electronic conductivity (Wiedemann - Franz's law), they are about 10 times less thermally conductive than copper (whereby pure gallium is better than the Ga-In alloy), but still better than a gas-filled or evacuated or Column filled with high vacuum pump oil.

Da die Möglichkeit besteht, daß sich beim Erhitzen im Vakuum in flüssigem Metall eine Gasblase bildet, ist es vorteilhaft, die GaIliumschient als nach oben gerichtete Kegel oberfläche zu gestalten, damit die Blase rasch aufsteigen kann. Würde sie dies nicht tun, würde eine örtliche überhitzung des Kupfertiegels 5, mit katastrophalem Durchschmelzen,die Folge sein.Since there is a possibility that when heated in a vacuum in liquid Metal forms a gas bubble, it is advantageous to use the GaIliumschient as after cone surface facing upwards so that the bladder ascends quickly can. If it did not do this, the copper crucible would overheat locally 5, with catastrophic meltdown, the result.

Es ist daher von großer Wichtigkeit, daß das GaIlium-Me-tall vor Einfüllen in die Anlage im Vakuum bei mindestens 500 C gründlich ausgegast wird, ebenso die Kupferteile 5 und 6. Außerdem müssen die Kupferteile 5 und 6 vor dem Zusammenbau mit Gallium benetzt worden sein, was mit einem kleinen Glasborstenpinsel geschehen kann (Gallium benetzt reines Kupfer begierig). Die Gallium-Schichtdicke kann mittels der Stifte 10 eingestellt werden. Sie soll nicht unter 1 mm betragen, da bei dünneren Schichten etwaige Gasblasen Schwierigkeiten haben, zu entweichen (Oberflächenspannung). Der Antrieb der Tiegelplatte 5 in die verschiedenen Stellungen bereitet keine Probleme, wie in Abbildung 2 gezeigt.It is therefore of great importance that the GaIlium-Metal before being filled into the system is thoroughly degassed in a vacuum at at least 500 C, as well as the copper parts 5 and 6. In addition, the copper parts 5 and 6 must be assembled before assembly have been wetted with gallium, which can be done with a small glass bristle brush (gallium wets pure copper eagerly). The gallium layer thickness can be adjusted by means of the pins 10. It should not be less than 1 mm, since with thinner layers any gas bubbles have difficulty escaping (surface tension). Driving the crucible plate 5 into the various positions does not cause any problems, as shown in FIG.

In der experimentellen Anlage wurden 100 g Gallium benötigt, zum Preise von DM 150,-. Die Reinheit von 99,9 % ist völlig ausreichend.100 g gallium were required in the experimental facility, at a price of DM 150.00. The purity of 99.9 % is completely sufficient.

Als weiteres Ergebnis ist noch zu erwähnen, daß die Furche 20, welche etwa heraustretendes Gallium auffängt, von Mutzen ist. Bei längerem Betrieb bildet sich an der mit Luft in Berührung kommenden Gallium-Oberfläche bei 9 eine dort schwimmende Oxidhaut, die aber keine negative Einwirkung besitzt.As a further result it should be mentioned that the furrow 20, which about catches emerging gallium, is von Mutzen. During prolonged operation, the gallium surface that comes into contact with air is formed at 9 there is an oxide skin floating there, but which has no negative effect.

Obwohl der Schmelzpunkt des Galliums mit 29,8 C angegeben wird, fanden wir, daß diese Flüssigkeit um 10 C unterkühlt werden kann, ehe sie erstarrt. Sobald dies erfolgt ist, ist natürlich die Tiegelscheibe 5 nicht mehr drehbar. Um dies zu vermeiden, haben wir die Kühlwasserzuleitung 12 an einen Kait-tiarmwasser-Mischhahn des Laboratoriums angeschlossen und halten das Kühlwasser lauwarm (ca. 35 C). Dies ist bei der Ga-In-Legierung (MP 17 C) nicht erforderlich, selbst nicht bei Wasser von 10 0C.Although the melting point of gallium is given as 29.8 C, we found that this liquid can be subcooled by 10 C before it solidifies. As soon as this has taken place, the crucible disk 5 can of course no longer be rotated. To avoid this, we have connected the cooling water supply line 12 to a cold water tap in the laboratory and keep the cooling water lukewarm (approx. 35 C). This is not necessary with the Ga-In alloy (MP 17 C), not even with water at 10 ° C.

1 30040/0289 ORIGINAL !NSPECTED1 30040/0289 ORIGINAL! NSPECTED

Claims (3)

Patentansprüche: Patent claims : Vakuumaufdampfen!age mit Elektronenstrahl verdampfen unter Verwendung eines Kupfer-Drehtisches mit mehreren Tiegeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführung vom strahl geheizten Kupfer-Drehtisch zur wassergekühlten stationären Kupfer-Grundplatte durch eine Schicht von flüssigem Gallium erfolgt.Vacuum evaporation with electron beam evaporation using a copper turntable with several crucibles, characterized in that that the heat dissipation from the radiantly heated copper turntable to the water-cooled stationary copper base plate is made by a layer of liquid gallium. 2) Vialtiegel-Elektronenstrahl-Vakuumaufdampfanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumschicht kegelförmig nach oben geneigt ist, damit Gasblasen im Gallium rasch nach oben einweichen können.2) vial electron beam vacuum evaporation system according to claim 1, characterized characterized in that the gallium layer is inclined conically upwards, so that gas bubbles in the gallium can soak upwards quickly. 3) Viel tiegel-Elektronenstrahl-Vakuumaufdampfanlage nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß statt Gallium eine bei 17 0C schmelzende Legierung von Gallium-13 % Indium verwendet wird.3) Much crucible electron beam vacuum evaporation system according to claim 1-2, characterized in that instead of gallium, an alloy of gallium-13 % indium which melts at 17 0 C is used. 130040/0289130040/0289
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3228311A1 (en) * 1982-07-29 1984-02-02 Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln EVAPORATOR FOR VACUUM VACUUM DEVICES
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