DE4444538C2

DE4444538C2 - Einrichtung zur langzeitstabilen Verdampfung von Elementen und Verbindungen für die reaktive Abscheidung auf bewegten Substraten, vorzugsweise breiten Bändern

Info

Publication number: DE4444538C2
Application number: DE19944444538
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Reinhold; Olaf Gawer; Christian Melde
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2014-12-15
Also published as: DE4444538A1

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).

Bezugszeichenliste

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

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.

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.

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.

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.