DE3239949A1

DE3239949A1 - Widerstandsbeheiztes schiffchen zum verdampfen von metallen

Info

Publication number: DE3239949A1
Application number: DE19823239949
Authority: DE
Inventors: Dennis W. Grand Island N.Y. Barshter
Original assignee: Kennecott Corp
Current assignee: Kennecott Corp
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1982-10-28
Publication date: 1983-05-11
Also published as: JPS5877572A; FR2515691B1; FR2515691A1; BR8205728A; IN157415B; US4446357A; IT8249292A0; IT1149108B; GB2109911B; CA1203373A; IL66823A; GB2109911A; IL66823A0; DE3239949C2; AU8985182A; KR840001229A

Description

KENNECOTT CORPORATION

Stamford, Connecticut (V. St. A.)

Widerstandsbeheiztes Schiffchen zum Verdampfen von Metallen

Die Erfindung betrifft widerstandsbeheizte Gefäße oder Tiegel, gewöhnlich als Schiffchen bezeichnet, für die Verwendung beim Vakuumverdampfen von Metallen.
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Es ist bekannt, daß verschiedene Untergründe, beispielsweise Glas, Metalle und Kunststoffe, durch Vakuumaufdampfverfahren mit dünnen Metallschichten überzogen werden können. Allgemein wird bei diesen Verfahren ein verdampfbares Metall, wie Aluminium, Chrom, Kupfer, Zink, Silber oder Gold bei einer hohen Temperatur im Vakuum verdampft und der Metalldampf auf dem gewünschten Untergrund niedergeschlagen. Das Metall wird durch Erhitzen in einem Schiffchen verdampft, das zugleich als Erhitzer und als Tiegel dient. Typischerweise besteht ein Schiffchen aus einem langgestreckten Stab aus einem die Elektrizität leitenden Material. Die Schiffchen können flache Verdampfungsflächen haben, weisen jedoch meist in der Verdampfungszone eine Vertiefung eines Vorrats des zu verdampfenden Metalls auf. Das Schiffchen ist mit einer Stromquelle verbunden. Der elektrische Widerstand des Schiffchens führt beim Stromdurchgang zum Erhitzen des Schiffchens. Die Hitze verdampft das auf der Verdampfungsfläche befindliche Metall.

Die heute in Gebrauchbefindlichen widerstandsbeheizten Verdampfungsschiffchen bestehen meist aus einem Gemisch keramischer oder intermetallischer Verbundwerkstoffe, beispielsweise Titandiborid mit Bor-

nitrid oder Siliciumcarbid oder Titandiborid mit Bornitrid und Aluminiumnitrid. Schiffchen aus solchen Gemischen haben eine wesentlich längere Lebensdauer als solche aus Metall- oder Graphit-Werkstoffen, wie sie vorher benutzt wurden. Die genannten Stoffe haben jedoch auch erhebliche Nachteile. Die Stoffe werden auf Grund ihrer chemischen und physikalischen Beständigkeit gegenüber dem zu verdampfenden Metall und ihres elektrischen Widerstandes ausgewählt. Typischerweise werden Borid-Komponenten zur Erzielung einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wegen ihrer physikalischen und chemischen Beständigkeit gegenüber geschmolzenen und verdampfenden Metallen und zur Herbeiführung einer Benetzung der Verdampfungsfläche verwendet. Nitrid-Komponenten, die gute elektrische Isolatoren sind, aber im allgemeinen von geschmolzenen Metallen, wie Aluminium, nicht benetzt werden, werden zur Anpassung des elektrischen Widerstandes an einen für Heizelemente benötigten Wert verwendet. Die heute verwendeten Werkstoffe stellen daher Kompromisse dar, die nicht die für den jeweiligen Zweck besten Eigenschaften haben.

Die Metalle, die in gebräuchlichen Schiffchen verdampft werden, wirken als Parallelleiter in dem Stromkreis des Schiffchens. Der elektrische Widerstand des Stromkreises hängt von der Höhe des Metallbettes sowie der Zusammensetzung und Temperatur des Metalls ab. Bei hohen Temperaturen, wie sie bei Metallverdampfungsverfahren angewendet werden, reagieren die Metalle und die in ihnen enthaltenen Verunreinigungen mit den Schiffchenwerkstoffen und verändern den elektrischen Widerstand des Schiffchens. Diese Änderungen erfordern ein ständiges Nachregulieren des Stromes, um die gewünschte Heizleistung und damit die Schiffchentemperatur sowie hierüber die Verdampfungsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
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Es stellte sich somit die Aufgabe, ein widerstandsbeheiztes Metallverdampfungsschiffchen zur Verfügung zu stellen, das die vorstehend dargelegten Nachteile nicht aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem Schiffchen gemäß der Erfindung werden die Nachteile der bekannten Metallverdampfungsschiffchen durch einen Mehrschichtenaufbau vermieden. Die Verdampfungsfläche des Schiffchens kann aus Werkstoffen hergestellt werden, die allein auf Grund ihrer Benetzbarkeit sowie ihrer chemischen und physikalischen Beständigkeit gegenüber geschmolzenen Metallen und Metalldämpfen ausgewählt werden, während unabhängig davon der Heizelement-Teil aus Werkstoffen hergestellt wird, die allein auf Grund ihrer elektrischen Widerstandseigenschaften ausgewählt werden.

Das widerstandsbeheizte Schiffchen gemäß der Erfindung besteht also aus einem Heizteil und einem Tiegelteil,- die durch einen wärmeleitenden, aber die Elektrizität nicht leitenden Teil miteinander verbunden sind.

Der Heizteil oder das Heizelement ist aus einem die Elektrizität leitenden Material von bestimmtem, ausgewähltem elektrischen Widerstand, das elektrisch auf hohe Temperaturen erhitzt werden kann. Der Heizteil hat vorzugsweise eine so hohe mechanische Festigkeit, daß er selbsttragend ist. Er ist aus feuerfesten Metallcarbiden, -nitriden, -siliciden, -oxiden oder Gemischen davon hergestellt. Diese Stoffe oder Gemische werden allein auf Grund ihrer Eignung ausgewählt, den gewünschten elektrischen Widerstand zu bieten. Gemische aus Titandiborid und Bornitrid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid ergeben in der Regel eine elektrische Leitfähigkeit in dem gewünschten Bereich. Zirkondiborid, Gemische von Bornitrid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Titandiborid oder Mischungen davon sind ebenfalls brauchbar. Die Länge des Heizelementes eines widerstandsbeheizten Schiffchens hängt im allgemeinen von der Größe der Verdampfungsanlage ab, in der das Schiffchen benutzt wird. Es ist daher praktischer, den Querschnitt des Heizteils so zu bemessen, daß der gewünschte elektri-

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sehe Widerstand und eine optimale Wärmeverteilung erhalten werden, ohne daß die Verdampfungsfläche beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann durch Verminderung der Breite oder Dicke eines Querschnitts des Heizteils die von dem Schiffchen oder in der Zone des verminderten Querschnitts erzeugte Wärme verstärkt werden, ohne daß die Form der Verdampfungsfläche geändert werden muß.

Der Tiegelteil des Schiffchens bildet die Verdampfungsfläche und ist aus Werkstoffen, wie feuerfesten Metallcarbiden, -boriden, -nitriden, -siliciden, -oxiden und Mischungen davon, hergestellt, die allein· im Hinblick auf ihre Benetzbarkeit durch das zu verdampfende Metall, ihrer chemischen und physikalischen Beständigkeit gegenüber dem Metall oder den darin enthaltenen Verunreinigungen und ihrer Beständigkeit gegenüber der Verdampfungsatmosphäre ausgewählt werden. Beispielsweise sind Titandiborid, Zirkondiborid und Mischungen davon sehr gute Werkstoffe für Verdampfungsflächen, die durch das zu verdampfende Metall benetzbar und gegen einen Angriff durch geschmolzene oder dampfförmige Metalle, wie Aluminium, Kupfer, Nickel und Chrom, sowie darin vorkommende Verunreinigungen ausgezeichnet beständig sind.

Bisher konnten diese Metalle wegen ihrer unerwünschten elektrischen Leitfähigkeit und der Forderung nach einer geringen elektrischen Leitfähigkeit des zur Widerstandserwärmung benutzten Schiffchens nicht in größeren Mengen eingesetzt werden.

Der Trennteil besteht aus einem wärmeleitenden, die Elektrizität aber im wesentlichen nicht leitenden Material, wie Bornitrid, Boroxid oder Gemischen davon. Ein bevorzugtes Material ist Bornitrid. Der Trennteil kann aber auch einem Gemisch bestehen, das als Hauptbestandteil Bornitrid, Boroxid oder Mischungen davon enthält. Beispielsweise enthält ein solches Gemisch mindestens 90 Gew.-%, besser noch 95 Gew.-% Bornitrid, Boroxid oder Mischungen davon. Beispiele geeigneter Stoffe, die der Trennteil noch enthalten kann, sind Borcarbonat und Calciumborat. Da die Hauptaufgabe des Trennteils ist, Wärme von Heizteil auf den Tiegelteil überzuleiten und dabei gleichzeitig den Heizteil vom Tiegelteil elektrisch zu isolieren, kann der Trennteil die Form einer

dünnen Schicht oder — bei manchen Ausführungsformen — die Form eines Films haben, der durch Aufdampfen, Streichen oder Spritzen aufgebracht werden kann. Der Trennteil leitet die Elektrizität im wesentlichen nicht, d.h. er hat einen spezifischen Volumenwiderstand von mehr als

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10 , besser von mehr als 10 jQ..«cm bei Umgebungstemperatur.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform;
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Fig. 3: eine schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten Schiffchen besteht der Heizteil 11 aus einem die Elektrizität leitenden feuerfesten Material, wie Metallcarbiden, -boriden, -nitriden, -siliciden, -oxiden oder Gemischen davon. Besonders geeignet sind Gemische aus Titandiborid und Bornitrid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid. Länge, Zusammen-

. Setzung sowie QuerSchnittsform und Größe des Heizteils 11 können dem für die gewünschte Wärmeerzeugung erforderlichen Widerstand angepaßt werden. Im allgemeinen wird die Länge des Heizteils 11 von der Größe der Verdampfungsvorrichtung bestimmt, während Querschnitt und Zusammensetzung zur Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit variabel sind. Die Erfindung ermöglicht es jedoch, die Zusammensetzung des Materials für den Heizteil 11 allein auf Grund seiner elektrischen Leitfähigkeit und ohne Rücksicht auf seine Beständigkeit gegenüber geschmolzenem oder verdampften Metall auszuwählen. Der Heizteil kann

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daher die vorgesehene Länge und den für die Erzeugung der gewünschten Wärme erforderlichen Querschnitt haben.

Der Tiegelteil 13 besteht aus einem feuerfesten Material, wie Metallcarbiden, -boriden, -nitriden, -siliciden, -oxiden oder Gemischen davon. Er weist eine Verdampfungsfläche 15 auf, die von dem zu verdampfenden Metall benetzt wird und die gegenüber geschmolzenen Metallen und Metalldämpfen chemisch und physikalisch beständig ist. Die Verdampfungsfläche 15 kann als kann als Aussparung oder Vertiefung 19 im Tiegeloberteil ausgebildet sein, um das geschmolzene Metall vor dem Verdampfen aufzunehmen und zu halten.

Heizteil 11 und Tiegelteil 13 sind durch ein Trennteil 17 getrennt, das aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, aber schlechter elektrischer Leitfähigkeit besteht. Bornitrid, Boroxid oder Gemische davon können dazu verwendet werden. Gemische keramischer Stoffe, die als Hauptbestandteil mindestens 90 Gew.-%, besser mindestens 95 Gew.-% Bornitrid, Boroxid oder Gemische davon enthalten, können ebenfalls verwendet werden. Geeignete keramische Stoffe werden unter Berücksichtigung ihres Einflusses auf den spezifischen elektrischen Widerstand der Trennschicht ausgewählt. Größere Mengen solcher Verdünnungsstoffe oder Modifikatoren haben in der Regel einen nachteiligen Einfluß und setzen den spezifischen elektrischen Widerstand der Trennschicht auf ein unerwünschtes Maß herab. Beispiele keramischer Stoffe, die in dem Material der Trennschicht 17 enthalten sein können, sind Borcarbonat, Calciumborat und Mischungen davon. Die Dicke des Trennteils 17 kann in weiten Grenzen schwanken; es muß aber eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Sperrschicht bilden und hat bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform die Form einer dünnen Schicht. Geeignet sind Dicken zwischen 0,5 und 5 mm; besonders praktisch und brauchbar sind Dicken zwischen 1,0 und 1,5 mm. Der Trennteil 17 hat eine Wärmeleitzahl zwischen 0,033 und 2,09 W/cm-grd (0,008 und 0,500 cal/cm.s-grd), am besten eine solche zwischen 0,21 und 0,63 W/cm-grd (0,05 und 0,15 cal/cm-s·grd). Der spezifische elektrische Widerstand des Trennteils 17 ist größer als 10 , besser noch größer als 10 Λ.·αη.

Zum Vergleich sei bemerkt, daß das Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstandes des Heizteils 11 zum spezifischen elektrischen Widerstand des Trennteils 17 in der Größenordnung von 1:100, besser in der Größenordnung von 1:10 000 und am besten in der Größenordnung von 1:1 000 000 oder höher liegt.

Beim Gebrauch werden die Enden des Heizteils 11 mit den Anschlußklemmen eine Stromquelle in einer Vakuumkammer verbunden. Ferner wird Vorkehrung getroffen, daß der zu beschichtende Gegenstand sich in der Vakuumkammer in einer Sichtlinie mit der Verdampfungsfläche 15 befindet, so daß der von ihr ausgehende Metalldampf auf dem Gegenstand kondensiert und niedergeschlagen wird. Typischerweise wird die Vakuumkammer auf einen Druck von weniger als 0,001 mbar evakuiert. Sodann wird dem Heizteil 11 so viel elektrische Energie zugeführt, daß die Verdampfungsfläche 15 auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, daß das darauf befindliche oder aufgebrachte Metall mit brauchbarer Geschwindigkeit verdampft und der Metalldampf auf dem Gegenstand niedergeschlagen wird.

Figur 2 zeigt das langgestreckte Schiffchen der Figur 1. In dieser Darstellung hat der Heizteil 11 verlängerte Enden 21, 22, die durch Klemmen oder anderweitig mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden.

Figur 3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausfuhrungsform, bei der Tiegelteil 13 nach unten um den Heizteil 11 verlängert ist. Die Verlängerungen 23 des Tiegelteils 13 erstrecken sich zu beiden Seiten des Heizteils 11 und schützen den Heizteil vor der Einwirkung von Metalldämpfen der den Dämpfen von Verunreinigungen; sie verringern wesentlieh die Heizteilfläche, die solchen Dämpfen ausgesetzt ist. Diese Ausführungsform vermindert die chemische Abtragung des Heizteils und dadurch eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Die verlängerten Seiten des Tiegelteils 13 können von dem Heizteil 11 oben und an den Seiten durch eine Trennschicht 17 oder, wie in Figur 3 dargestellt, nur oben durch eine Trennschicht 17 und an den Seiten des Heizteils

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Ι räumlich von diesem getrennt sein. Bei beiden Ausführungen wird die Reinheit der erzeugten Metalldämpfe verbessert, da der von den verlängerten Seiten des Tiegelteils umschlossene Heizteil 11 vor einem Angriff geschützt ist und keine Zersetzungsprodukte des Heizteils in die Verdampfungsatmosphäre diffundieren. Diese Ausführungen eignen sich besonders zum Verdampfen von Aluminium-Silicium-Kupfer-Legierungen bei der Herstellung von Halbleitern, da der in der Regel auf Siliciumplättchen niedergeschlagene Film eine hohe Reinheit hat. Bei der dargestellten Ausführungsform, bei der die verlängerten Seiten des Tiegelteils 13 räumlich von dem Heizteil 11 getrennt sind, wird die von den Seiten des Heizteils 11 abgestrahlte Wärme zusätzlich zu der durch Leitung auf den Tiegelteil 13 übertragenen Wärme genutzt, so daß die von dem Heizteil 11 erzeugte Wärme wirkungsvoll verwertet wird.

Darüber hinaus verlängern diese Ausführungsformen die Nutzungsdauer des Heizteils 11, da bei ihnen die unbedeckte Oberfläche des Heizteils geringer ist. Dies führt zu einer Verminderung der Diffusion von Komponenten mit verhältnismäßig hohem Dampfdruck, die typischerweise im Material des Heizteils enthalten sind, wie Aluminiumnitrid und Bornitrid. Ferner kann die Trennschicht 17 diffundierende Komponenten des Heizteils 11 enthalten und so eine Quelle diffundierender Komponenten bilden, die in das Material des Heizteils 11 diffundieren und Verluste dieser Komponenten an den unbedeckten Flächen des Heizteils ausgleichen.

Das Verdampfungsschiffchen gemäß der Erfindung kann verschiedene Querschnittsformen haben; beispielsweise kann der Querschnitt polygonal, rund, elliptisch oder halbrund sein.
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Figur 4 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der der Heizteil 11 den Tiegelteil 13 an mindestens drei Seiten (dargestellt) und, falls gewünscht, an zwei Enden (nicht dargestellt) umgibt und von diesem an allen Flächen durch den Trennteil 17 getrennt ist. Diese Ausführungsform ergibt eine maximale Wärmeübertragung von dem Heizteil 11

auf den Tiegelteil 13. Allerdings ist der Heizteil 11 auch in maximalem Ausmaß einem Angriff durch Metalldämpfe ausgesetzt, so daß diese Ausführungsform nur bei ausgewählten Prozessen effektiv eingesetzt werden kann. 5 Beim Gebrauch neigen Heizelemente, wie der Heizteil 11, dazu, unter dem Einfluß der hohen Temperatur und chemischem Angriff ihre elektrische Leitfähigkeit zu ändern, die höher oder auch niedriger werden kann. Bei dem Schiffchen gemäß der Erfindung, insbesondere bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform, kann der Heizteil so ausgebildet werden, daß er haltbarer ist und seine elektrische Leitfähigkeit ändert oder vermindert, d.h. in vorhersehbarer Weise versagt.

Claims

COHAUSZ & FLORACK

PATENTANWALTSBÜRO SCHUMANNSTR. 97 D-4000 DÜSSELDORF 1

Telefon:(0211) 683346 Telex:08586513 cop d

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · DipL-lng. R. KNAUF · Dipl-Ing. H. B. COHAUSZ · Dipl.-Ing. D. H. WERNER

27.10.1982 Ansprüche

I)

I1J Widerstandsbehexztes Schiffchen zum Verdampfen von Metallen, gekennzeichnet durch

a) einen Heizteil (11),

b) einen Tiegelteil (13) und

c) einen die beiden Teile (11, 13) trennenden Trennteil (17) aus einem wärmeleitenden, die Elektrizität aber im wesentliehen nicht leitenden Material.
2. Schiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Trennteil (17) eine Wärmeleitzahl zwischen 0,033 und 2,09 W/cm-grd und einen spezifischen elektrisehen Widerstand von mehr als 10 -Xi-cm hat.
3. Schiffchen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Heizteil (11) aus einem feuerfesten Material besteht, das aus der Gruppe Metallcarbide, -boride, -nitride, -silicide, -oxide und Gemischen davon ausgewählt ist.
4. Schiffchen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Material des Heizteils (11) aus der Gruppe Zirkondiborid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Titandiborid und Gemischen davon ausgewählt ist.

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U/ -
5. Schiffchen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegelteil (13) aus einem feuerfesten Material besteht, das aus der Gruppe Metallcarbide, -boride, -nitride, -silicide, -oxide und Gemischen davon ausgewählt ist.
6. Schiffchen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Material des Tiegelteils (13) aus der Gruppe Titandiborid, Zirkondiborid und Gemischen davon ausgewählt ist.
7. Schiffchen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Trennteil (17) aus einem Material besteht, das mindestens 90 Gew.-% Bornitrid, Boroxid oder Gemische davon enthält.
8. Schiffchen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein länglicher Tiegelteil (13) auf einem länglichen Heizteil (11) angeordnet ist und der Tiegelteil (13) sich an den Seiten des Heizteils (11) nach unten erstreckt.
9. Schiffchen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die sich nach unten erstreckenden Verlängerungen (23) des Tiegelteils (13) von dem Heizteil (11) räumlich getrennt sind.
10. Schiffchen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die sich nach unten erstreckenden Verlängerungen (23) des Tiegelteils (13) von dem Heizteil (11) durch den Trennteil (17) getrennt sind.