DE3136465C2

DE3136465C2 -

Info

Publication number: DE3136465C2
Application number: DE19813136465
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Mayer; Guenther Dr.Rer.Nat. 8011 Kirchheim De Haug; Roland Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Haft
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-09-15
Filing date: 1981-09-15
Publication date: 1989-12-28
Also published as: DE3136465A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bedampfen von Substra ten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for steaming substra ten according to the preamble of claim 1.

Für Sensoren, die beispielsweise als Füllstandsmesser oder Durch flußmesser dienen, werden aufgedampfte Schichten einerseits als Leiter und andererseits als konstante oder auch stark temperatur abhängige Widerstände benötigt. Für diese Schichten werden ge wöhnlich Metalle verwendet, die einen radialen hohen Schmelzpunkt besitzen, wie beispielsweise CrNi oder Ni. Dabei dient CrNi als Widerstandsbahn, während Ni für den eigentlichen Temperatur fühler oder als Leiterbahn benutzt wird.For sensors, for example as a level meter or through serve as flow meters, are evaporated layers on the one hand as Conductor and on the other hand as a constant or strong temperature dependent resistors needed. For these layers are ge Usually used metals that have a radial high melting point have, such as CrNi or Ni. CrNi serves as Resistance path while Ni for the actual temperature sensor or used as a conductor track.

Für das Beschichten von Substraten oder langen Bändern in Band bedampfungsanlagen sind Aufdampfquellen mit hoher Rate und langer Lebensdauer erforderlich, damit die Metallschichten wirt schaftlich hergestellt werden können. Für solche Aufdampfquellen haben sich Elektronenstahlkanonen als besonders geeignet er wiesen, bei denen das zu verdampfende Metall nicht direkt aus einem aus Kupfer bestehenden Tiegel, sondern aus einem eigenen, den Kupfertiegel ausfüllenden tiegelförmigen Einsatz (dem so genannten "liner") verdampft werden.For coating substrates or long tapes in tape Vaporization systems are sources of vaporization at a high rate and Long service life required to host the metal layers can be produced economically. For such evaporation sources electron guns have proven to be particularly suitable showed, in which the metal to be evaporated is not directly a crucible made of copper, but from its own, the crucible-shaped insert filling the copper crucible (the so called "liner") are evaporated.

Linermaterialien müssen beispielsweise durch Pressen während ihrer Herstellung oder auch nachträglich durch mechanisches Be arbeiten in passende Formen zu bringen sein, damit sie der Tiegelinnenwand oder dem Stab angepaßt werden können. Außerdem müssen Linermaterialien auch eine gewisse elektrische Leitfähig keit besitzen, damit der Strahlstrom der Elektronenstrahlkanone abgeführt werden kann. Weiterhin müssen die Linermaterialien ausreichend widerstandsfähig gegen die jeweiligen Metallschmel zen auch bei hohen Abdampftemperaturen sein. Eine andere For derung liegt darin, daß sich die Linermaterialien von der im Tiegel befindlichen Schmelze benetzen lassen sollten, damit eine gleichmäßige Wärmeabgabe an den Tiegel und eine ausreichend gleichmäßige Abdampfung der Schmelze gewährleistet wird. Diese Forderungen sind teilweise gegenläufig und erfordern einen Kom promiß: Besonders ist darauf zu achten, daß die Linermaterialien auch bei größeren Temperaturschwankungen beim Aufheizen und Ab kühlen temperaturwechselbeständig sind und keine Zersetzungs produkte an die Schmelze abgeben.Liner materials, for example, have to be pressed during their manufacture or subsequently by mechanical loading work in suitable forms so that they can be the Inner wall of the crucible or the rod can be adapted. Furthermore liner materials also need some electrical conductivity possess speed so that the beam current of the electron beam gun can be dissipated. Furthermore, the liner materials sufficiently resistant to the respective metal melt zen even at high evaporation temperatures. Another for The reason for this is that the liner materials differ from the im The crucible located in the crucible should be wetted so that a uniform heat emission to the crucible and sufficient uniform evaporation of the melt is guaranteed. These In some cases, receivables are contradictory and require comm promiß: It is particularly important to ensure that the liner materials even with larger temperature fluctuations when heating up and down are cool resistant to temperature changes and no decomposition deliver products to the melt.

Versuchsweise hergestellte Vorrichtungen zum Bedampfen in klei nen Raten verwenden etwa Wolframschiffchen oder indirekt be heizte Keramiktiegel. Mit Elektronenstrahlkanonen sind höhere Raten zu erreichen, die bei Verwendung eines üblichen Liners aus Graphit noch gesteigert werden, was allerdings für viele hochschmelzende Metalle, die Carbide bilden, nicht gilt.Experimentally manufactured devices for steaming in small rates use about tungsten boats or indirectly heated ceramic crucibles. With electron beam guns are higher Achieve rates using a standard liner graphite can be increased, but for many refractory metals that form carbides do not apply.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus GB-PS 10 94 562 bekannt. In dieser Veröffentlichung ist in einem äußeren Mantel aus Molybdän ein massiv ausgebildeter innerer Tiegel aus Keramik angeordnet. Eine solche Vorrichtung nach dieser Veröffentlichung besitzt eine Fülle von Nachteilen. Das aufzudampfende Metall kann nicht direkt mit einem Elektronenstrahl aufgeheizt werden, weil sich sonst die Schmelze negativ auflädt. Die Keramik ist nämlich elektrisch nicht-leitend. Die indirekte Beheizung der Schmelze nach dieser Veröffentlichung führt zu einem großen Wärmeverlust über den Halter. Die thermische Leitfähigkeit durch den inneren Tiegel aus Keramik hindurch ist schlecht. Die Auf heizung durch Strahlung von den über den inneren Tiegel hinaus ragenden Teilen des Mantels trifft nur die Oberfläche der Schmel ze. Der äußere Mantel muß möglichst hoch über den inneren Tiegel hinausragen, um die Erwärmung der Schmelze zu verbessern. Der innere Tiegel muß möglichst hoch sein, damit die Schmelze nicht mit dem äußeren Mantel chemisch reagieren kann. Die Aufheizung der Schmelze dauert sehr lange, ist räumlich ungleichmäßig, führt zu einer niedrigen Aufdampfrate und zu einer Variation der che mischen Zusammensetzung bei chemischen Verbindungen der Schmelze. Um die thermische Leitfähigkeit zu verbessern, soll auch der innere Tiegel aus Molybdän sein. Damit das Material des Tiegels nicht mit der Schmelze reagiert, soll der Tiegel insgesamt aus einem elektrischen Nicht-Leiter wie z. B. Aluminiumoxid sein. Aluminiumoxid ist seinerseits nicht resistent gegen agressive und hochschmelzende Metalle wie z. B. Nickel und Nickelchrom.A device of the type mentioned is from GB-PS 10 94 562 known. This publication is in an outer coat a solid ceramic inner crucible made of molybdenum arranged. Such a device according to this publication has an abundance of disadvantages. The metal to be evaporated cannot be directly heated with an electron beam, because otherwise the melt will charge negatively. The ceramic is namely electrically non-conductive. Indirect heating of the Melting after this release leads to a big one Heat loss through the holder. The thermal conductivity through the ceramic inner crucible is bad. The on heating by radiation from beyond the inner crucible protruding parts of the jacket only hit the surface of the melt ze. The outer jacket must be as high as possible over the inner crucible protrude to improve the heating of the melt. The inner crucible must be as high as possible so that the melt does not can react chemically with the outer jacket. The heating the melt takes a long time, is spatially uneven, leads to a low evaporation rate and a variation in the surface area mix composition in chemical compounds of the melt. To improve the thermal conductivity, the inner crucibles made of molybdenum. So that the material of the crucible If the crucible does not react with the melt, the crucible should turn out an electrical non-conductor such. B. be alumina. For its part, aluminum oxide is not resistant to aggressive and refractory metals such. B. nickel and nickel chrome.

Auch bei GB-PS 10 03 845 wird die Schmelze vom Elektronenstrahl indirekt beheizt. Dabei ist der gesamte Tiegel aus Metall-Keramik. Aluminiumoxid wird von Nickel-haltigen Schmelzen angegriffen. Da der gesamte Tiegel aus Metallkeramik besteht, ist die Wärme leitung des Tiegels nicht ausreichend. Daraus ergeben sich Schwankungen in der Temperatur der Schmelze mit entsprechenden Konsequenzen für Aufdampfrate und Aufdampfgüte.Also in GB-PS 10 03 845 the melt is from the electron beam indirectly heated. The entire crucible is made of metal-ceramic. Aluminum oxide is attacked by melts containing nickel. Since the entire crucible is made of metal ceramic, the heat is of the crucible is not sufficient. This results in Fluctuations in the temperature of the melt with corresponding Consequences for evaporation rate and evaporation quality.

Auch bei GB-PS 9 95 609 ist ein Tiegel vorgesehen, der nur aus Metallkeramik besteht. Auch dabei ist Aluminiumoxid als Bestand teil der Metallkeramik angegeben. Aluminiumoxid wid jedoch von einer Nickel-haltigen Schmelze angegriffen. Die Verwendung eines Tiegels nur aus Metallkeramik führt zu thermisch zu geringer Leitfähigkeit. Aufdampfrate und Aufdampfgüte sind entsprechend ungünstiger. Eine Vorrichtung nach dieser Veröffentlichung funktioniert gut nur unter Verwendung eines Drahtes. Ein Draht ermöglicht jedoch nur eine gering Aufdampfrate.A crucible is also provided in GB-PS 9 95 609, which consists only of Metal ceramic exists. Here too, aluminum oxide is a component specified part of the metal ceramic. However, alumina is used by a nickel-containing melt. The use of a Tiegel only made of metal ceramics leads to thermally too low Conductivity. Evaporation rate and evaporation quality are corresponding less favorable. A device according to this publication works well only using a wire. A wire however, only allows a low evaporation rate.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch hohe Abdampfraten und Resistenz gegen aggressive und hoch schmelzende Metalle wie z. B. Nickel und NiCr auszeichnet.The present invention is therefore based on the object specify a device of the type mentioned, which itself due to high evaporation rates and resistance to aggressive and high melting metals such as B. Nickel and NiCr.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a device according to the patent claim 1 solved.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es in überraschend einfacher Weise, daß größere Mengen von aggressivem und hoch schmelzendem Metall gleichmäßig mit höherer Aufdampfrate bei langer Lebensdauer der Vorrichtung aufgedampft werden. Die Er findung ermöglicht eine konstante Temperatur der Schmelze, eine höhere Aufdampfrate und gleichmäßigere thermische Verhältnisse.A device according to the invention surprisingly makes it possible simple way that larger amounts of aggressive and high melting metal evenly with higher evaporation rate long life of the device can be evaporated. The he invention enables a constant temperature of the melt, a higher evaporation rate and more uniform thermal conditions.

Die Verwendung einer Metallkeramik als Liner in einem Tiegel bzw. in einer Stabführung bietet gegenüber dem Stand der Technik bereits für sich allein überraschende Vorteile.The use of a metal ceramic as a liner in a crucible or in a rod guide offers compared to the prior art advantages that are surprising in themselves.

Enthält die Metallkeramik einen höheren ZrO₂-Anteil, dann ist sie widerstandsfähiger gegen die jeweiligen Metallschmelzen, während eine Steigerung des Mo-Anteiles zu einer besseren Bear beitbarkeit und zu einer geringeren Temperaturschockempfindlich keit führt. Der Tiegel bzw. der Stab kann in üblicher Weise aus Kupfer bestehen.If the metal ceramic contains a higher proportion of ZrO ₂ , it is more resistant to the respective metal melts, while an increase in the Mo proportion leads to better machinability and a lower sensitivity to temperature shock. The crucible or the rod can consist of copper in the usual way.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Anteile von ZrO₂ 30% bis 80%, insbesondere 40% bis 50%, und die jenigen von Mo 70% bis 20% und insbesondere 60% bis 50% betragen.A further development of the invention is that the proportions of ZrO _{2 are} 30% to 80%, in particular 40% to 50%, and those of Mo 70% to 20% and in particular 60% to 50%.

Die aus ZrO₂ und Mo bestehende Metallkeramik kann also in vor teilhafter Weise in Tiegeln als Liner von Tiegel-Elektronen strahlkanonen oder auch zu einer rohr- oder ringförmigen Aus kleidung von Stabführungen für Stabverdampfer-Elektronenstrahl kanonen eingesetzt werden. Die Stabverdampfer-Elektronenstrahl kanonen haben den Vorteil, daß durch das beständige Nachführen unverbrauchten Stabmaterials keine bestimmte Materialkomponente bevorzugt aufgedampft wird.The metal ceramic consisting of ZrO ₂ and Mo can thus be used in a crucible in crucibles as a liner of crucible electron beam guns or to a tubular or ring-shaped lining of rod guides for rod evaporator electron beam guns. The rod vaporizer electron beam cannons have the advantage that, due to the constant tracking of unused rod material, no particular material component is preferably vapor-deposited.

Es hat sich gezeigt, daß Liner aus der angegebenen Metallkeramik die Wärmeabfuhr der Schmelze an den wassergekühlten Tiegel, der vorzugsweise aus Kupfer besteht, bremsen und so den Energiebedarf verringern sowie gleichzeitig die Abdampfrate gegenüber der Verdampfung oder Liner um ein Vielfaches erhöhen. So läßt sich bei spielsweise Nickel, das eines der aggressivsten Metalle ist, aus Tiegel-Elektronenstrahlkanonen, die mit Linern mit 60% Molybdän-Gehalt ausgekleidet sind, gleichmäßig in hohen Raten, nämlich einigen Gramm je Minute, über mehrere Stunden ohne sichtbaren Angriff auf das Linerma terial und im wesentlichen ohne Risse des Linermaterials verdampfen.It has been shown that liners made of the specified metal ceramic the heat dissipation of the melt to the water-cooled crucible, the preferably consists of copper, brake and so reduce energy requirements as well at the same time the evaporation rate compared to the evaporation or increase the liner many times over. So you can at for example nickel, one of the most aggressive metals is made of crucible electron guns with liners are lined with 60% molybdenum content, evenly at high rates, namely a few grams per minute several hours without a visible attack on the Linerma material and essentially without cracks in the liner material evaporate.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe following is an embodiment of the invention explained in more detail with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit einer Tiegel-Elektro nenstrahlkanone und Fig. 1 shows an embodiment with a crucible-electric nenstrahlkanone and

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit einer Stabverdampfer- Elektronenstrahlkanone. Fig. 2 shows an embodiment with a rod evaporator electron gun.

Eine Elektronenstrahlkanone besteht in Fig. 1 im wesent lichen aus einem Kupferklotz bzw. Tiegel 1, der eine Vertiefung zur Aufnahme des zu verdampfenden Materials 4 besitzt, um den eine Wasserkühlung 2 herumgeführt ist, die mit einem nicht dargestellten Einlaß- und Auslaß rohr verbunden ist. In der Vertiefung ist ein aus ZrO₂ und Mo bestehender Einsatz 3 vorgesehen, der aus etwa 40 bis 50% ZrO₂ und aus etwa 60 bis 50% Mo besteht. Ein von einem nicht dargestellten Elektronenstrahlerzeu ger abgegebener Elektronenstrahl 5 wird durch ein senk recht zur Zeichenebene verlaufendes Magnetfeld abgelenkt und trifft auf das Material 4 auf, um dieses so zu er hitzen, daß es sich über einen Metalldampfstrahl 9 auf einer Folie 6 niederläßt, die in Pfeilrichtung 7 über dem Tiegel 1 vorbeigeführt wird. An electron beam gun is in Fig. 1 in union union from a copper block or crucible 1 , which has a recess for receiving the material to be evaporated 4 , around which a water cooling 2 is guided, which is connected to an inlet and outlet pipe, not shown . In the recess, an insert 3 consisting of ZrO ₂ and Mo is provided, which consists of approximately 40 to 50% ZrO ₂ and approximately 60 to 50% Mo. An electron beam 5 emitted by an electron beam generator (not shown) is deflected by a magnetic field extending perpendicular to the plane of the drawing and strikes the material 4 in order to heat it so that it settles on a metal vapor beam 9 on a film 6 , which in Direction of arrow 7 is passed over the crucible 1 .

In Fig. 2 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Ein Stab aus dem zu verdampfenden Material 4′ wird in Pfeilrich tung 8 ständig in einer Bohrung im Kupferklotz 1 nachge führt, um so kontinuierlich das bereits verdampfte Mate rial zu ersetzen. An seinem oberen Rand ist hier der Stab mit einem ringförmigen Einsatz 3′ umgeben, der wie der Einsatz 3 aus 40 bis 50% ZrO₂ und aus 60 bis 50% Mo besteht.In Fig. 2 corresponding parts are provided with the same reference numerals as in Fig. 1. A rod made of the material to be evaporated 4 ' is in the direction of arrow 8 constantly leads in a bore in the copper block 1 , so continuously the already evaporated mate rial to replace. At its upper edge here the rod is surrounded by an annular insert 3 ' which, like insert 3, consists of 40 to 50% ZrO ₂ and 60 to 50% Mo.

Claims

1. Device for vapor deposition of substrates, plates or tapes, in particular of foils, with metal layers by vapor deposition of the metal from a crucible or rod evaporator electron gun, which keeps the metal in the melt, with an insert in an outer metal jacket is available, characterized in that the crucible or the rod guide of the electron bombardment device is provided with an insert made of metal-ceramic (liner) ( 3 ), and that the metal-ceramic consists of ZrO ₂ and Mo.

2. Device according to claim 1, characterized in that the proportions of ZrO _{2 are} 30% to 80% and Mo 70% to 20%.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the proportions of ZrO ₂ 40% and 50% and Mo 60% to 50%.

4. Device according to one of claims 1 or 3, characterized in that the crucible or the rod guide consists of Cu in a manner known per se.