DE4442733A1

DE4442733A1 - Einrichtung zur Bedampfung bandförmiger Substrate im Vakuum

Info

Publication number: DE4442733A1
Application number: DE19944442733
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Erbkamm; Guenter Dr Jaesch; Matthias Dr Ing Neumann
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2014-12-02
Also published as: DE4442733C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bedampfung bandförmiger Substrate im Vakuum mit einem sehr hohen Ausnutzungsgrad des Verdampfungsgutes und einem guten energetischen Wirkungsgrad.

Bekannte Einrichtungen zur Verdampfung von Metallen und deren Abscheidung auf einem bandförmigen Substrat bestehen aus Verdampfertiegeln, von denen der Dampf durch ver schiedenartig gestaltete Deckel oder Kanäle in einen Kondensationskanal geleitet wird, wo er auf dem kalten Substrat kondensiert.

Um eine hohe Dampfausbeute zu erzielen und die Dampfleitungskanäle sowie den Konden sationskanal nicht durch aufwachsende Metallschichten zu verengen bzw. zuzusetzen, müssen alle Elemente beheizt werden, so daß eine Reverdampfung an den Kanalwänden stattfindet. Bei allen bisher bekannten Anordnungen stellt der Kondensationskanal eine se parate Einheit dar, die getrennt vom Verdampfertiegel beheizt wird (US-Patent 3,690,933). Als nachteilig erweist sich hierbei die zusätzliche Installation von erheblichen Heizleistun gen sowie die dampfdichte Verbindung zum Verdampfertiegel, die bei aggressiven Dämp fen von besonderer Bedeutung ist.

Bei allen bisher bekannten Anordnungen stellt die Dampfleiteinrichtung eine separate Ein heit dar, die getrennt vom Verdampfertiegel beheizt wird (US-Patent 3,690,933). Als nach teilig erweist sich hierbei die Notwendigkeit zur zusätzlichen Installation von erheblichen Heizleistungen sowie zur dampfdichten Verbindung zwischen Dampfleiteinrichtung und Verdampfertiegel. Diese Verbindung ist insbesondere bei aggressiven Dämpfen von beson derer Bedeutung.

Infolge der hohen Affinität vieler Metalle zu Sauerstoff sind die erreichbaren Verdamp fungsraten wegen der sich schnell auf der Schmelzbadoberfläche bildenden Oxidschichten begrenzt. Mit geschlossenen, unter Innendruck arbeitenden Verdampfersystemen, die vor zugsweise mit flüssigem Verdampfungsgut beschickt werden, konnte bereits eine Erhö hung der Verdampfungsrate erreicht werden (WP C 23 C/2317 343, WP C 23 C/2317 368). Jedoch läßt sich auch durch diese Maßnahme eine Oxidbildung nicht vollständig vermeiden, da nicht zuletzt auch das flüssige Verdampfungsgut Verunreinigungen und Ga se in den Verdampfertiegel einschleppt.

Es ist ein Verdampfer mit Kondensationskanal zu schaffen, der frei von den Mängeln der bekannten Verdampfer und Kondensationskanäle ist und mit dem sich hohe Abscheideraten bei hohem Dampfausnutzungsgrad und gutem energetischen Wirkungsgrad erzielen lassen.

Die Erfindung basiert auf der Integration von Verdampfertiegel und Kondensationskanal, wobei der Kondensationskanal unmittelbarer Bestandteil des Verdampfertiegels bzw. -deckels ist. Ein so aufgebauter Verdampfer benötigt keine zusätzliche Heizung für den Kondensationskanal, da die dem Verdampfer zugeführte Energie gleichzeitig zur Erwärmung des Kondensationskanals genutzt wird. Ein monolithischer Aufbau von Tiegel und Konden sationskanal bzw. Deckel und Kondensationskanal ermöglicht einen ungehinderten Wärme austausch zwischen Tiegel und Kondensationskanal und reduziert gleichzeitig die Anzahl der Dichtstellen gegen austretenden Dampf auf eine Dichtung zwischen Tiegel und Deckel. Kondensationskanal und Verdampfertiegel bzw. -deckel bestehen demnach jeweils aus gemeinsamen Blöcken. Ein so aufgebauter Verdampfer benötigt keine zusätzliche Heizung für den Kondensationskanal, da die dem Verdampfer zugeführte Energie gleichzeitig zur Erwärmung des Kondensationskanals genutzt wird. Der monolithischer Aufbau von Tiegel und Kondensationskanal bzw. Deckel und Kondensationskanal ermöglicht einen ungehin derten Wärmeaustausch zwischen diesen Teilen und reduziert gleichzeitig die Anzahl der Dichtstellen gegen austretenden Dampf auf nur eine Dichtung zwischen Tiegel und Deckel. Mit dieser Anordnung erhöht sich der Wirkungsgrad erheblich. Je nach Ausführung können mehrere, aber auch alle Wände des Kondensationskanales gleichzeitig Tiegelwände sein. Durch die Integration des Kondensationskanales in den Verdampfertiegel sind die Hüllflä chen des Tiegels einschließlich des Kondensationskanals in jedem Fall kleiner als bei einem vom Tiegel getrennten Kondensationskanal. Damit sinkt die Verlustenergie, die über die Grenzflächen an das Verdampfergehäuse bzw. die Umgebung abgegeben wird. Ein großer Teil der Energie zur Beheizung des Kondensationskanales bleibt im Verdampfersystem.

Die Temperaturen von Verdampfertiegel und Kondensationskanal sind direkt miteinander verkoppelt, so daß bei einsetzender Verdampfung im Tiegel automatisch eine Reverdamp fung im Kondensationskanal gewährleistet ist. Verdampfungsgut, das trotzdem im Konden sationskanal kondensiert, gibt seine Kondensationsenthalpie an die gemeinsamen Wände von Tiegel und Kondensationskanal ab, so daß diese Energie dem Verdampfersystem erhal ten bleibt.

Das für den Beschichtungsprozeß notwendige Temperaturprofil im Kondensationskanal läßt sich über eine geeignete Dimensionierung seiner Querschnittsflächen und Länge einstellen. Der Verdampfer mit integriertem Kondensationskanal besteht vorzugsweise aus Graphit oder hochschmelzenden Metallen und wird vorzugsweise mit flüssigem Verdampfungsgut beschickt.

Eine optimale Ausnutzung der zugeführten Energie wird durch die Anordnung der Heizung im Tiegelboden erreicht. Damit nimmt zunächst der Verdampfer die gesamte angebotene Energie auf, bevor ein Teil davon an den Behälter abgegeben werden kann.

Der Verdampfer läßt sich als Ein- und Doppeltiegelvariante aufbauen. Damit ist sowohl eine ein- und beidseitige Bedampfung des Substrates als auch eine Bedampfung beider Seiten des Substrates mit unterschiedlichen Materialien und/oder Schichtdicken in einem Prozeß schritt möglich.

Durch den der Erfindung zugrunde liegenden Aufbau kann auf eine mechanische Vorrich tung zur Beseitigung von Oxidschichten verzichtet werden. Mittels Füllstandsregulierung läßt sich der Tiegel einfach entleeren, so daß sich störende Oxidschichten am Boden abset zen. Ein Ausheizen des Tiegels beseitigt gleichzeitig eventuell vorhandene Oxidschichten im Tiegel und Kondensationskanal, wobei die reduzierende Wirkung eines Graphittiegels beim Beseitigen von z. B. Zinkoxid gezielt genutzt wird.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von 3 Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die Abb. 1 bis 3 stellen als Schnitt Ausführungsvarianten zur Ein- und Zweiseitenbedampfung bandförmiger Substrate dar. Sie sind sowohl für vertikalen als auch horizontalen Bandtransport geeignet. Bei horizontalem Bandtransport ist es vorteilhaft, das Substrat im Kondensationskanal senkrecht zu führen (Abb. 3).

Der Verdampfer besteht aus einem Tiegel (1) und einem Deckel (2), die beide gleichzeitig den Kondensationskanal (4) bilden. Das Verdampfungsgut wird seitlich oder von unten in flüssiger Form durch ein Anschlußrohr (3) in den Tiegel geleitet.

Zum Schutz des Substrates vor Spritzern, die beim Aufreißen einer Oxidhaut auf der Schmelze entstehen, kann der Verdampfer mit einem einfachen Spritzschutz (5) versehen werden.

Die Schmelzeinrichtung kann getrennt vom Verdampfer aufgebaut werden und sorgt für die Füllstandsregulierung im Verdampfertiegel. Im Schmelzgefäß gast das feste Verdampfungsgut aus und wird oxidfrei unter der Schmelzbadoberfläche in den Verdampfer abgezogen.

Der Tiegel (1) wird mittels Strahlungsheizung beheizt, wobei sich die Heizelemente (nicht dargestellt) in Hohlräumen des Tiegelbodens oder außerhalb des Tiegels befinden können. Die erste Variante besitzt den Vorteil, daß der Tiegel zunächst die gesamte zugeführte Wärme aufnimmt, bevor er einen Teil davon an das Gehäuse abgibt.

Die Tiegelwände sind gleichzeitig Wände des Kondensationskanales (4) und werden von der Tiegelheizung aufgrund der guten Wärmeleitung auf Temperaturen geheizt, die ein zuverlässiges Reverdampfen im Kondensationskanal ermöglichen.

Der Verdampfer arbeitet unter Innendruck, wobei die Öffnung zwischen Tiegel und Kondensationskanal 1/10 der Badoberfläche beträgt. Über die geometrische Gestalt der Öffnung zum Kondensationskanal und dessen Form im Querschnitt und in Längsrichtung läßt sich das gewünschte Schichtprofil auf dem Substrat einstellen.

Der Verdampfer nach Abb. 1 ermöglicht eine einseitige Beschichtung bandförmiger Substrate. Beträgt die Breite der Öffnung zwischen Tiegel und Kondensationskanal ca. 80% der Substratbreite, so bleibt die Rückseite des Bandes ohne strenge Forderungen an den Randspalt zwischen Substrat und Kondensationskanal unbedampft. Gleichmäßige Schichtdicken bis zu den Rändern des Substrates werden bei geringfügiger Modifikation des Querschnittes des Kondensationskanales erzielt.

Die Verdampfer nach Abb. 2 und 3 ermöglichen eine beidseitige Beschichtung bandförmiger Substrate. Variante 2a zeigt eine monolithische Doppeltiegelanordnung mit Trennwand zwischen beiden Tiegeln. Damit ist eine Beschichtung der beiden Bandseiten mit unterschiedlichen Schichtdicken oder Materialien möglich. Variante 2b stellt eine Anordnung zum beidseitigen Beschichten bandförmiger Substrate dar, bei der die Wärme des Tiegels optimal zur Beheizung des Kondensationskanales ausgenutzt wird.

Der Verdampfer nach Abb. 3 entspricht der Variante 2a, wobei hier das bandförmige Substrat vertikal geführt und horizontal bewegt wird. Tunneldurchbrüche unterhalb des Kondensationskanales führen zu einer Ausführungsvariante analog Abb. 2b.

Bezugszeichenliste

1 Tiegel
2 Deckel
3 Anschlußrohr
4 Kondensationskanal
5 Spritzschutz
6 bandförmiges Substrat

Claims

1. Verdampfer zur Beschichtung bandförmiger Substrate im Vakuum, mit abgeschlosse nem Verdampfungsraum, strahlungsbeheiztem Tiegel und Deckel und einem Querschnitt der Dampfaustrittsöffnung kleiner als die Schmelzbadoberfläche, vorzugsweise geeignet für die Nachbeschickung mit flüssigem Verdampfungsgut wie z. B. Zink, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationskanal, durch den das bandförmige Substrat geführt wird, unmittelbarer Bestandteil des Verdampfertiegels bzw. -deckels ist und ausschließlich durch Wärmeleitung vom Verdampfer her beheizt wird, daß der Kondensationskanal mit den auf einer bzw. beiden Seiten des Substrates angeordneten Verdampfungsräumen über eine bzw. mehrere seitlich angebrachte Öffnungen kommuniziert und daß das erforderliche Temperaturprofil des Kondensationskanals in Richtung der Ein- bzw. Austrittsöffnung des Substrates durch bekannte Maßnahmen zur Veränderung der Wärmeleitfähigkeit eingestellt wird.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampfer und Konden sationskanal aus Graphit oder hochschmelzenden Metallen, wie Molybdän oder Tantal bestehen.

3. Verdampfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiegelheizung in den Tiegelboden integriert ist.

4. Verdampfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfertiegel auf beiden Seiten des Substrates mit unterschiedlichen Materialien beschickt werden.

5. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verdampfertiegeln auf beiden Seiten des Substrates unterschiedliche Dampfdrücke eingestellt werden.

6. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Oxidschichten, vorzugs weise Zinkoxid, nach Entleeren des Verdampfers durch Ausheizen entfernt werden.