DE4444538C2 - Einrichtung zur langzeitstabilen Verdampfung von Elementen und Verbindungen für die reaktive Abscheidung auf bewegten Substraten, vorzugsweise breiten Bändern - Google Patents
Einrichtung zur langzeitstabilen Verdampfung von Elementen und Verbindungen für die reaktive Abscheidung auf bewegten Substraten, vorzugsweise breiten BändernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur langzeitstabilen
Elektronenstrahlbedampfung von bandförmigem Substrat, wobei
das bandförmige Substrat in einer Hochvakuumkammer in einer
Bandbewegungsrichtung mit einer Bandgeschwindigkeit bewegt
wird, während ein Elektronenstrahl auf ein in einem Tiegelha
fen eines Tiegelsystems befindliches Verdampfungsgut gelenkt
wird. Dabei werden beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf
die Oberfläche des Verdampfungsgutes Verdampfungsquellen er
zeugt, wobei der Elektronenstrahl periodisch abgelenkt und das
Verdampfungsgut bewegt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur langzeit
stabilen Elektronenstrahlbedampfung von bandförmigem Substrat,
das in einer Bandbewegungsrichtung bewegt wird. Die Einrich
tung besteht aus einer in Haupt- und Nebenkammer geteilten
Hochvakuumkammer, einer Elektronenstrahleinrichtung und einem
unter dem bandförmigen Substrat angeordneten Tiegelsystem, auf
das der erzeugte Elektronenstrahl zur Erzeugung einer Verdamp
fungsquelle gerichtet ist.
Die Einrichtung dient dazu, auf großflächige Substrate bzw.
bandförmige Materialien großer Breite, die kontinuierlich bzw.
quasikontinuierlich in die Vakuumbeschichtungsanlage ein- und
ausgeschleust werden, Schichten von Elementen und Verbindungen
mit gleichmäßiger Schichtdicke aufzubringen.
Bisher sind Beschichtungsanlagen mit Verdampfern bekannt, die
entweder aufgrund begrenzter Bevorratung nur kurze Beschich
tungszyklen zulassen oder die durch Nachfütterung des Verdamp
fungsgutes in Form von Granulat oder Draht die thermische
Stabilität der Verdampferquelle so stark beeinträchtigen, daß
Störungen, wie Schichtdickenschwankungen, Spritzer oder eine
völlige Unterbrechung des Verdampfungsprozesses in Kauf genom
men werden müssen.
Für die Verdampfung von Verbindungen sind Verdampferlösungen
bekannt, bei denen Blöcke aus kompaktem Verdampfungsgut mit
tels einer Vorschubeinrichtung in die Verdampferzone nach
geführt oder durch Rotation in der Verdampferzone abgetragen
werden. Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß viele
Verbindungen für die Herstellung mechanisch stabiler Kompakt
körper ungeeignet sind oder bei thermischer Belastung aufgrund
von Eigenspannungen zerspringen. Bei diesen Materialien schei
den derartige Lösungen für eine stabile Langzeitverdampfung
aus.
Für den Spezialfall der Beschichtung von breitem Bandmaterial
im kontinuierlichen Betrieb werden bisher Vielquellensysteme,
Linienquellen oder Flächenquellen als Verdampfer eingesetzt,
mit denen eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung bei einem
vorgegebenen Verhältnis von Bedampfungsabstand zu Bandbreite
durch Verteilung der Dampfquellen hinsichtlich der Position
und Intensität erreicht wird. Diese Verteilung wird durch
entsprechende Programmierung der Ablenkung des Elektronen
strahles eingestellt. Linien- und Flächenquellen sind nur dann
anwendbar, wenn die Verdampfung aus der flüssigen Phase er
folgt. Bei sublimierenden Materialien führt ein ungleichmäßi
ger Abtrag zu störenden Deformationen der Quellflächen. Viel
quellensysteme haben die bekannten Bevorratungsprobleme und
den Nachteil ortsfester Quellen.
Bezüglich des Standes der Technik sei allgemein auf folgende Fachver
öffentlichungen hingewiesen:
- 1. G. Jäsch: Elektronenstrahlverdampfen von Aluminium mit
Raten über 10 g/s
Dissertation TH Karl-Marx-Stadt, 1981 - 2. S. Schiller et al.: Electron Beam Technology, Wiley Interscience, New York, 1982
- 3. H. Lämmermann et al.: PVD-Overlay Coatings for Blades and Vanes of Advanced Aircraft Engines; Proc. Conf. El. Beam Melt. and Refining, Reno, 1991, S. 104 ff.
- 4. O. Kienel: Vakuumbeschichtung 5, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1993
In der DD 64 635 wird ein Verfahren und eine Einrichtung zum
langzeitstabilen Verdampfen großer Flächen beschrieben. Darin
wird ein bandförmiges Substrat in einer Vakuumkammer mit einer
Bandgeschwindigkeit in einer Bandbewegungsrichtung bewegt.
Unter dem Band befindet sich Verdampfungsgut, auf das ein
Elektronenstrahl gerichtet wird. Am Auftreffpunkt zwischen dem
Elektronenstrahl und dem Verdampfungsgut entsteht eine Verdam
pfungsquelle, aus der das Verdampfungsgut dampfförmig aus
tritt, wodurch das bandförmige Substrat an der Unterseite
bedampft wird.
Zur Erreichung von Verdampfungsraten, die über lange Zeiten
hinweg konstant bleiben, wird hierzu vorgeschlagen, das Ver
dampfungsgut während des Verdampfungsprozesses in einer oder
mehreren Richtungen zu bewegen. Die erfolgt nach einem der
Schichtverteilung angepaßten Programm.
Um zu einer möglichst großen Flächenausnutzung des Verdamp
fungsgutes zu gelangen, wird auch eine Auslenkung des Elek
tronenstrahles vorgeschlagen. Damit kann erreicht werden, daß
das Verdampfungsgut möglichst gleichmäßig ausgenutzt wird.
Insbesondere bei breitem bandförmigen Substrat mit einer Brei
te < 1 m ist zwar eine gleichmäßige Verdampfungsgutausnutzung
erreichbar, jedoch sind einer Optimierung der Schichtdicken
verteilung über die Fläche Grenzen gesetzt.
Aus der DE 18 14 142 ist eine Einrichtung zum Bedampfen von großen Flächen im
Vakuum bekannt, bei der eine homogene Auf
dampfschicht mit einer hohen Aufdampfrate bei einem möglichst
geringen Abstand zwischen Verdampfertiegel und Verdampfungsgut
erreicht werden soll. Dabei wird das Bandmaterial schräg über
einen Verdampfertiegel geführt und der Elektronenstrahl eben
falls schräg auf den Verdampfertiegel gelenkt. Bei dieser
Einrichtung kann eine hohe Aufdampfrate erzielt werden. Als
nachteilig zeigt es sich jedoch, dass die Schichthomogenität
bei großen Flächen nicht gewährleistet werden kann und das
Verdampfungsgut nur zu einem Teil ausgenutzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Elektronen
strahlverdampfung zu schaffen, die eine wesentliche Erweite
rung der Anwendungsbreite erlaubt, indem die bekannten Mängel
und Beschränkungen des Standes der Technik weitgehend besei
tigt werden und die eine hohe Prozeßstabilität über lange
Beschichtungszeiten sichert.
Unter Gewährleistung
einer gleichmäßigen Schichtdickenverteilung bei breitem band
förmigen Material soll eine größtmögliche Ausnutzung des Ver
dampfungsgutes erzielt werden.
Die Einrichtung soll insbesondere für den Einsatz zur Bedamp
fung von Bändern mit einer Breite von mehr als 1 Meter ge
eignet sein. Als Verdampfungsgut soll kompaktes oder granulat
förmiges Material eingesetzt werden können, das aus der festen
oder halbflüssigen Phase mit oder ohne Reaktivgaseinlaß ver
dampft wird. Die Einrichtung soll die Kombination mehrerer
Stationen erlauben, um das Aufbringen auch komplizierter
Schichtsysteme in Vakuumfolge und in einem technologischen
Durchlauf auf Bandmaterial zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe verfahrensseitig durch die
Merkmale des Anspruches 1 und anordnungsseitig durch die Merk
male des Anspruches 4 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche
stellen besonders günste Ausgestaltungen dar.
In der Elektronenstrahlverdampfereinrichtung oszillieren die
Tiegelsysteme quer zum Band, wodurch eine konstante Zufuhr des
Verdampfungsguts in den Quellenerzeugungsbereich gewährleistet
wird. Die Erzeugung der Verdampfungsquellen auf der Verdamp
fungsgutoberfläche erfolgt durch die Einwirkung von Elektro
nenstrahlen aus Elektronenkanonen auf das Verdampfungsgut, die
durch eine frei programmierbare Strahlführung abgelenkt und
zeitlich-örtlich so dosiert werden, daß Verdampfungsquellen in
geeigneter geometrischer Ausdehnung symmetrisch unter dem zu
beschichtenden Substrat bzw. Band auf dem Verdampfungsgut
erzeugt werden. Die erforderliche Flächenausdehnung der Ein
zelquellen wird von der für die notwendige Rateerzeugung zu
installierenden Leistung und Leistungsdichte vorgegeben und
mit schnellen periodischen ein- oder zweidimensionalen Ablenk
figuren des Elektronenstrahls realisiert.
Um einen flächenmäßig ebenen Materialabtrag auf der Verdamp
fungsgutoberfläche zu garantieren, werden die Verdampfungs
quellen längs der Bandlaufrichtung innerhalb des Tiegelhafens
periodisch hin und her bewegt. Diese strahlführungsgesteuerte
Oszillation erfolgt entsprechend Weglänge und Periode mit
einer zyklischen Beschleunigungsfunktion, die eine Ratekon
stanz auch bei Bewegungsumkehr garantiert. Der Flächenabtrag
kommt durch Überlagerung der Quellenwanderung mit der dazu
senkrecht erfolgenden Tiegelbewegung zu Stande. Eine weitere
Erläuterung ist dem Konfigurationsbeispiel (Fig. 1) zu ent
nehmen.
Entsprechend der Tiegelbewegung wird auf dem Verdampfungsgut durch
Materialabtrag (Verdampfung) im Verdampfungsquellbereich ein
Böschungswinkel erzeugt, der dem Dampfstrom leichte Änderungen
in der Ausbreitungsrichtung aufprägt, die die Schichtdicken
verteilung unsymmetrisch verzerren. Durch gegenläufige Bewe
gung von Tiegelsystemen erfolgt eine symmetrische Kompensation
dieser Änderungen und eine ausgeglichene Quelldichteverteilung
quer zum Band.
Eine der Quellenwanderung synchron angepaßte Erweiterung bzw.
Verkürzung des Aufdampfbereichs mit Hilfe einer angetriebenen
Blendeneinrichtung führt zu einem gleichmäßigen Abscheide
vorgang auf dem Band.
Aus Verdampfungsrate und gewünschter Prozeßdauer ergeben sich
die notwendigen Tiegelvolumina für das Verdampfungsgut. An die
sich daraus ergebenden Tiegelhafendimensionen werden der Ver
fahrweg der Tiegelsysteme quer zur Bandlaufrichtung und der
Quellenwanderungsbereich längs der Bandlaufrichtung angepaßt.
Auf diese Weise wird eine Verdampfungsgutbevorratung für einen
angemessenen Produktionszyklus, vorzugsweise einwöchigen Drei
schichtbetrieb, möglich.
Die Erweiterung der Elektronenstrahlbedampfungskammer durch
eine Nebenkammer zur Prozeßentkopplung mittels Druckblenden
und zu in-situ-Einzelschichtauswertung schafft die Möglichkeit
der modularen Kombination mehrerer gleichartiger Stationen zur
Erzeugung komplizierter Schichtsysteme in einem technologi
schen Durchlauf.
Fig. 1 veranschaulicht ein Konfigurationsbeispiel für die
Tiegelbewegung quer zur Bewegungsrichtung von Substrat/Band
(2) und den Quellenwanderbereich längs der Band- bzw. Substrat
bewegungsrichtung. Im dargestellten Fall gehören vier Quellor
te, die innerhalb des Wanderbereiches (5) liegen und die mit
beispielsweise zwei Elektronenstrahleinrichtungen (1) bedient
werden, zu zwei Tiegelsystemen (3). Jedes Tiegelsystem besteht
aus einem Doppeltiegel. Das Beispiel zeigt eine Quellvertei
lung von 2 × 2 Verdampfungsquellen mit einem Verhältnis Be
dampfungsabstand (Abstand Verdampfungsgutoberfläche-Substrat) h zu Quellabstand (Querabstand der Tiegelsysteme) d von h/d = 1. Die dar
gestellte gegenläufige Bewegung der Tiegelsysteme (4) führt
zur Kompensation etwaiger unsymmetrischer Dampfausbreitungs
richtungen, die vom einzelnen Tiegelsystem herrühren können.
Durch bewegliche Blenden (6) wird der Dampfstrom in Substrat-
bzw. Bandlaufrichtung begrenzt.
Fig. 2 zeigt die Entstehung eines flächigen Materialabtrages
an Verdampfungsgut im Tiegelhafenbereich und den durch schnelle
periodische Ablenkfiguren des Elektronenstrahls entsprechend
der gewünschten Verdampfungsrate dimensionierten Quellbereich
des Dampfes (7).
1
Elektronenstrahleinrichtung
2
Substrat/Band
3
Tiegelsystem
4
Bewegungsrichtung des Tiegelsystems
5
Wanderbereich der Verdampfungsquelle
6
bewegliche Blende mit Angabe der Bewegungsrichtung
7
durch Elektronenstrahl erzeugter Quellbereich des Dampfes
Claims (8)
1. Verfahren zur langzeitstabilen Elektronenstrahlbedampfung
von bandförmigem Substrat, wobei das bandförmige Substrat
in einer Hochvakuumkammer in einer Bandbewegungsrichtung
mit einer Bandgeschwindigkeit bewegt wird, während ein
Elektronenstrahl auf ein in einem Tiegelhafen eines Tie
gelsystems befindliches Verdampfungsgut gelenkt wird und
dabei beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Ober
fläche des Verdampfungsgutes Verdampfungsquellen erzeugt
werden, wobei der Elektronenstrahl periodisch abgelenkt
und das Verdampfungsgut bewegt wird, dadurch
gekennzeichnet,
daß mindestens zwei erste und zwei zweite quer zur Band laufrichtung verteilte Verdampfungsquellen symmetrisch unter dem Substrat erzeugt werden,
daß diese Verdampfungsquellen mit einer Frequenz von 0,001 Hz bis 10 Hz zeitlich zueinander sychronisiert parallel oder antiparallel längs der Bandbewegungsrich tung innerhalb des Tiegelhafens periodisch hin und her bewegt werden (oszillieren) und
daß das Tiegelsystem mit einer Frequenz von 0,001 Hz bis 1 Hz quer zur Bandbewegungsrichtung hin und her bewegt wird (oszilliert),
wobei die Verdampfungsquellen innerhalb einer Oszilla tionsperiode bei ihrer Bewegung längs der Bandbewegungs richtung zyklisch wiederkehrende Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen derart durchlaufen, daß deren Zyklus dauer auf die Bandgeschwindigkeit abgestimmt ist und deren Momentangeschwindigkeit eine Konstanz der Verdamp fungsrate gewährleistet.
daß mindestens zwei erste und zwei zweite quer zur Band laufrichtung verteilte Verdampfungsquellen symmetrisch unter dem Substrat erzeugt werden,
daß diese Verdampfungsquellen mit einer Frequenz von 0,001 Hz bis 10 Hz zeitlich zueinander sychronisiert parallel oder antiparallel längs der Bandbewegungsrich tung innerhalb des Tiegelhafens periodisch hin und her bewegt werden (oszillieren) und
daß das Tiegelsystem mit einer Frequenz von 0,001 Hz bis 1 Hz quer zur Bandbewegungsrichtung hin und her bewegt wird (oszilliert),
wobei die Verdampfungsquellen innerhalb einer Oszilla tionsperiode bei ihrer Bewegung längs der Bandbewegungs richtung zyklisch wiederkehrende Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen derart durchlaufen, daß deren Zyklus dauer auf die Bandgeschwindigkeit abgestimmt ist und deren Momentangeschwindigkeit eine Konstanz der Verdamp fungsrate gewährleistet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die zweiten Verdampferquellen in
einem Abstand d längs zur Bandbewegungsrichtung in einem
zweiten Tiegelsystem erzeugt werden, wobei sich der Ab
stand d der Verdampferquellen zu einem Verdampfungsab
stand h nach folgender Gleichung verhält:
0,5 ≦ h/d ≦ 5.
0,5 ≦ h/d ≦ 5.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Tiegelsystem und das zweite
Tiegelsystem zueinander gegenläufige Bewegungen ausfüh
ren.
4. Einrichtung zur langzeitstabilen Elektronenstrahlbedamp
fung von bandförmigem Substrat, das in einer Bandbewe
gungsrichtung bewegt wird, bestehend aus einer in Haupt-
und Nebenkammer geteilten Hochvakuumkammer, einer Elek
tronenstrahleinrichtung und einem unter dem bandförmigen
Substrat angeordneten Tiegelsystem, auf das der erzeugte
Elektronenstrahl zur Erzeugung einer Verdampfungsquelle
gerichtet ist, dadurch gekennzeich
net,
daß eine zweite Elektronenstrahleinrichtung vorgesehen ist, deren Elektronenstrahl ebenfalls auf das Tiegel system gerichtet ist,
daß in Bandbewegungsrichtung ein zweites Tiegelsystem, welches unabhängig von dem Tiegelsystem bewegbar ist, angeordnet ist,
daß der Elektronenstrahl der Elektronenstrahleinrichtung und der zweiten Elektronenstrahleinrichtung wechselweise auch auf das zweite Tiegelsystem gerichtet ist und
daß in Bandbewegungsrichtung einstellbare Einfach- oder Doppelblenden vorgesehen sind, deren Einstellbewegung mit einer Bewegung der Verdampfungsquellen sychronisiert ist.
daß eine zweite Elektronenstrahleinrichtung vorgesehen ist, deren Elektronenstrahl ebenfalls auf das Tiegel system gerichtet ist,
daß in Bandbewegungsrichtung ein zweites Tiegelsystem, welches unabhängig von dem Tiegelsystem bewegbar ist, angeordnet ist,
daß der Elektronenstrahl der Elektronenstrahleinrichtung und der zweiten Elektronenstrahleinrichtung wechselweise auch auf das zweite Tiegelsystem gerichtet ist und
daß in Bandbewegungsrichtung einstellbare Einfach- oder Doppelblenden vorgesehen sind, deren Einstellbewegung mit einer Bewegung der Verdampfungsquellen sychronisiert ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Tiegelsysteme mit sub
limierendem oder partiell schmelzendem Verdampfungsgut
aus Elementen oder Verbindungen in kompakter Form oder
als Granulat gefüllt sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß in dem Tiegelsystem Verdamp
fungsgut für einen Produktionszyklus bevorratet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen der
Hauptprozeßkammer für die Beschichtung und der Nebenkam
mer für die Prozeßentkopplung und in-Situ-Messung der
Schichteigenschaften Druck-Blenden vorgesehen sind.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß mehrere
Hauptprozeß- und Nebenkammern in periodischer Folge aneinander
gereiht sind.
Priority Applications (1)
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DE19944444538 DE4444538C2 (de) | 1994-12-14 | 1994-12-14 | Einrichtung zur langzeitstabilen Verdampfung von Elementen und Verbindungen für die reaktive Abscheidung auf bewegten Substraten, vorzugsweise breiten Bändern |
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Publication Number | Publication Date |
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DE4444538A1 DE4444538A1 (de) | 1996-06-20 |
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