WO2008003425A1 - Vorrichtung zum elektronenstrahlverdampfen - Google Patents

Vorrichtung zum elektronenstrahlverdampfen Download PDF

Info

Publication number
WO2008003425A1
WO2008003425A1 PCT/EP2007/005715 EP2007005715W WO2008003425A1 WO 2008003425 A1 WO2008003425 A1 WO 2008003425A1 EP 2007005715 W EP2007005715 W EP 2007005715W WO 2008003425 A1 WO2008003425 A1 WO 2008003425A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electron beam
substrate
aperture
diaphragm
vapor
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/005715
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gösta MATTAUSCH
Henrik Flaske
Jörn-Steffen LIEBIG
Volker Kirchhoff
Jens-Peter Heinss
Lars Klose
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to CN2007800256069A priority Critical patent/CN101484966B/zh
Priority to JP2009516988A priority patent/JP5150626B2/ja
Priority to EP07764905A priority patent/EP2038912A1/de
Publication of WO2008003425A1 publication Critical patent/WO2008003425A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching
    • H01J37/3053—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/243—Crucibles for source material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/147—Arrangements for directing or deflecting the discharge along a desired path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/31—Processing objects on a macro-scale
    • H01J2237/3132—Evaporating
    • H01J2237/3137—Plasma-assisted co-operation

Definitions

  • the invention relates to the field of application of physical vapor deposition (PVD) for the purpose of vacuum coating substrates with functional layers such as for corrosion protection, as decoration, for EMC shielding or thermal insulation and especially to an embodiment of the vapor source, in which Steam is generated by heating an evaporative material with electron beams from axial radiators (hereinafter also called EB-PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • vapor sources of EB-PVD have so-called "transverse guns” in which beam generation, magnetic 270 ° beam deflection and crucible with evaporating material are usually integrated in a compact functional block.
  • Heating at the pressure level of a coating chamber and is directly exposed to the vapors and gases therein (especially in reactive process control).
  • the pressure in the coating chamber must be kept at a low level by appropriately dimensioning the vacuum pumps in order to avoid instabilities in the operation of the electron source.
  • Such deflection systems realized mostly on the basis of current-carrying coils with field-forming pole shoes - represent a significant cost factor, distort the linearity of the deflection field and the focus of the electron beam in a negative way and are significantly dependent on the actual choice of material and geometry of the coating chamber walls in their effect , so that they usually have to be re-optimized for each modification in the vapor deposition.
  • the vapor stream density ⁇ thermal evaporator has a characteristic dependence on the angle ⁇ between the vertical of the Verdampfungsgutoberfest and the starting direction of the vapor particles, in the simplest case of a small area evaporator
  • the layer thickness in the area of the piercing point of the vertical of the material surface of the evaporating material through the substrate plane is maximal and then decreases with increasing lateral spacing thereof.
  • a concave curved large-area substrate holder is therefore usually used, on which the individual substrates are arranged in planes of approximately constant vapor stream density above the evaporator and can be coated stationarily. This approach is impractical for large area flat substrates.
  • the uniformity of the deposited layer thicknesses can be improved in a simple manner by increasing the distance to the evaporator.
  • the vapor yield ratio of the deposited on the substrate to the total amount of evaporated material
  • the demands on the vacuum system of the coating chamber lower residual gas pressure required
  • a frequently practiced way of improving the homogeneity of the layer thickness on large-surface substrates at a moderate distance from the evaporator is to arrange several small-area evaporators spatially distributed over the substrate dimension and to superpose their individual vapor stream density distributions in the substrate plane appropriately. This method brings an increased expenditure on equipment with it.
  • Another way of more evenly distributing the layer thickness sometimes used for feed-coated substrates is to place a special aperture in the coating chamber between the evaporator and the substrate having different opening widths in the transport direction of the substrate (small opening width in the center of the substrate and to increasing opening width at the edges).
  • this so-called “dog bone stop” also leads to a further reduction of the vapor yield, since the retained by an unheated aperture material can not be returned to the evaporator.
  • a characteristic feature of electron beam evaporation is that, depending on the angle of incidence of the electron beam on the vaporization material and its atomic number, a certain fraction of the electrons are not absorbed by the vaporization material, but are scattered back. These backscattered electrons transport a considerable amount of energy, which is removed from the evaporation process and also contributes to the mostly unwanted thermal load of the substrate. To keep away these backscattered electrons of temperature- or charge-sensitive substrates therefore additional means for generating magnetic Ablefelder must be integrated into the coating chamber, which are also referred to as "magnetic traps".
  • the characteristic kinetic energy E k ⁇ n generated by thermal evaporation particles is proportional to the evaporation temperature T v
  • This kinetic energy is smaller by more than an order of magnitude than the particle energies occurring in the alternative PVD method of magnetron sputtering. Consequently, thermal evaporation, especially at high coating rates, often has to be combined with additional means to increase particle energy to achieve adherent and dense layers.
  • a disadvantage of this arrangement is that it makes a significant technological advantage of the thermal evaporation, namely the - relative to the same dynamic coating rates - compared to the sputtering significantly (by a factor of 2 to 3) lower thermal substrate load partially destroyed. This results from the plasma densities necessarily high near the substrate in this activation mechanism and consequent additional thermal substrate loading.
  • the invention is therefore based on the technical problem of providing a device by means of which the disadvantages of the prior art in electron beam evaporators can be overcome.
  • the device is compared to the prior art, a compact and inexpensive mechanical structure, long coating and maintenance intervals, minimal magnetic interference with the coating chamber, a high steam efficiency at the substrate, little "wild layers", a minimal thermal substrate load by thermal radiation or backscattered electrons , a uniformity of the layer thickness with low evaporator substrate distance, a reduced spattering of crucibles with material Nach Pavtt für and universal installation solutions allow.
  • a device according to the invention for electron beam evaporation comprises a vacuum working chamber, an axial radiator for generating an electron beam by means of which a material to be evaporated can be heated and an aperture arranged between the material and a substrate to be coated, which has at least one vapor aperture through which material vapor passes to the substrate wherein the diaphragm comprises a magnet system, by means of which the electron beam can be deflected through the vapor aperture onto the material to be evaporated.
  • the evaporation of the material can either be done without a seal (for example for subliming materials from a rotating cylinder) or from a vessel, again as a water-cooled copper ladle with continuous feeding or as a thermally insulated block (so-called "hot crucible", with or without material supply to the Example via a wire feed) is executable.
  • the aperture between a vessel with evaporant and substrate just a few inches above the top of the vessel, arranged and formed as a horizontal composite cover plate of the vessel, the vessel side of a first layer of temperature-resistant material with low thermal conductivity (for Graphite felt, granulate bedding, gravel packing) and directly above a second layer of water-cooled material with high thermal conductivity (for example copper, solid graphite, aluminum, stainless steel), within which the magnetic deflection system for the electron beam (consisting of current-carrying, elongated coils or permanent magnet) Rods) is arranged.
  • the cover plate can also be arranged directly on the vessel as a kind of vessel lid.
  • the heat-insulating first layer of the composite cover plate is dimensioned so that due to the heat input from the actual evaporation site or the surface of the vaporized material (heat radiation, backscattered electrons, heat of condensation) or by additional heating (for example, with radiant heater or by suitable deflection of the primary Electron beam on absorber coupled to the composite cover plate) sets at its lower side a temperature which, on the one hand, is sufficiently high to prevent the evaporation of layers of the vaporization material (in the case of melting vaporization, for example by condensation of the vapor and dripping / draining of the formed vapor liquid phase back into the vessel), but on the other hand so low that thermal damage does not occur.
  • a heat sink for a defined cooling of the upper side of the heat-insulating first layer of the composite cover plate serves the overlying second layer of water-cooled material with high thermal conductivity, possibly with the interposition of a radiant heat transfer.
  • a radiant heat transition can be achieved, for example, by means of spacing between the two layers.
  • the orifice further contains one or more openings through which the vapor formed in the vessel can pass and reach the substrate.
  • These openings - also referred to as steam aperture - are shaped (in the simplest case rectangular) and measured that of the released with a broad distribution of direction at the vapor-emitting surface of the vaporized steam particles predominantly only the directed to the substrate steam particles can pass through a steam aperture, while the other Steam particles are retained by the panel.
  • the aperture of a device according to the invention in addition to a plate-shaped aperture, the aperture of a device according to the invention, however, for example, also hood-shaped and arranged over the material to be evaporated.
  • the diaphragm partially or completely envelops the material to be evaporated.
  • the vapor aperture of a diaphragm for example by means of covering tongues, that a certain proportion of the vapor flow, in particular from the central regions of the vapor density distribution, is retained directly above the vapor-emitting surface in the evaporator and not enters the chamber or substrate.
  • This can be realized for example with so-called cover tongues, wherein the cover tongues can be arranged such that they can be hit by the primary electron beam with a suitably programmed deflection and thereby heated.
  • the deposited on the Abdeckzonne material is removed by sublimation or melting and dripping of hot Abdeckzonne, this thus cleaned and fed the originally retained material back to the evaporation process.
  • a steam aperture in a device forms the injection channel for the electron beam.
  • magnets permanent magnets or Magnetic coils
  • which generate strong localized magnetic fields with major components in the horizontal plane and perpendicular to the beam entry direction.
  • locally very small curvature radii of the primary electron beam can be realized at deflection angles of advantageously 90 °.
  • the magnetic system for deflecting the electron beam is arranged directly on the axial radiator and / or in a chamber wall, such narrow bending radii of the electron beam through a vapor aperture can not be realized.
  • the electron system for deflecting the electron beam consists of two subcomponents, a subcomponent of which is arranged in the electron beam direction in front of a vapor aperture and a subcomponent after the vapor aperture.
  • the magnetic system component arranged further away from the axial radiator can be dimensioned such that it predominantly influences the backscattering and secondary electrons emitted by the surface of the vaporization material in analogy to the optical reflection law, but less strongly the primary electron beam. Since, in addition, the main region of the energy spectrum of the secondary electrons at energies is significantly lower than that of the primary electron beam, for these electrons predominantly still much smaller curvature radii than for the primary electron beam can be set. A high percentage of the backscattered electrons is therefore retained in the region between the surface of the evaporating material and the diaphragm.
  • the surface regions of the vaporization material which are not located directly under a vapor aperture can advantageously be used to supply new vaporization material.
  • the surfaces of these Nachyogtt ceremoniesszonen should be separated by temperature-resistant and chemically inactive barriers from those of the main evaporation zones in order to keep in the molten phase possibly floating light contaminants of the feed material from the direct area of action of the electron beam.
  • An evaporator can also be designed so that an electrical contacting of the vaporization material, possibly by contacting the vessel and the diaphragm, is possible and a gas discharge can be ignited, for example in the form of an arc discharge for ionization of the vapor.
  • a gas discharge can be ignited, for example in the form of an arc discharge for ionization of the vapor.
  • the formation and stability of this discharge can be achieved by integration of a suitable electron donor (for example, an additional electron donor) Hollow cathode, use of a current-heated tungsten wire or the heatable by the electron beam cover tabs in the steam aperture as a thermionic emitter) are promoted.
  • An acceleration of the ions formed already takes place by the adjusting in the non-homogeneous magnetic field in the vicinity of the steam aperture electric field.
  • an electron beam evaporator is realized in which the magnetic deflection field is integrated in a compact manner directly into the evaporator assembly and suitably shielded and thus little or not interfere with the walls and internals of a coating chamber.
  • an evaporator comprising a material to be vaporized (with or without vessel) and a diaphragm with steam aperture and integrated magnet system, to a universal assembly, which is largely independent of the specific installation situation in a vacuum chamber adapted in a simple manner to different coating chambers and allows for the often desirable horizontal installation of an electron beam gun.
  • An inventive realization of the magnetic deflection field of an electron beam at or within a diaphragm in the immediate vicinity of the material to be evaporated also allows a control of the direction distribution or the trajectories of the backscattered electrons. In the simplest case, this can serve to shield the substrate from the backscattered electrons by deflecting it towards a chamber wall or the diaphragm, as a result of which the thermal substrate load is reduced.
  • a suitably shaped steam aperture in an aperture at the same time allows the entry of the electron beam to the surface of the vaporized material as well as the exit of the vapor. Because of the special arrangement and dimensioning of the integrated or in the aperture integrated magnetic deflection system for the electron beam, these openings can be kept very small. Thus, it is possible to realize vapor streams in which predominantly material vapor passes through the steam aperture, which reaches the substrate, but not its surroundings. As a result, on the one hand, a longer service life is achieved with a given supply of material, and on the other hand, the formation of "wild layers" is suppressed, which is synonymous with longer maintenance intervals.
  • Suitable shaped and electron beam heated cover tabs as part of a shutter to form a steam aperture allow hiding certain
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a diaphragm with steam aperture.
  • a device 1 is shown schematically, by means of which is to be vapor-deposited within a vacuum work chamber 2 on a substrate 3, a polycarbonate plate, a copper layer, the arrow indicating the direction of movement of the substrate via substrate 3.
  • a graphite crucible 4 there is the copper material 5 to be evaporated, which is heated by means of an electron beam 7 generated by an axial radiator 6.
  • the crucible 7 is embedded in a layer 8 of quartz gravel for thermal insulation.
  • a diaphragm 9 is arranged in the form of a cover plate for crucible 4, which has a steam aperture 10, through the copper vapor particles 1 1 from the crucible 4 to the substrate 3 can rise.
  • Aperture 9 comprises two layers 12 and 13.
  • the copper material 5 facing layer 12 is made of 40 mm thick graphite felt.
  • Layer 13 is a 30 mm thick, water-cooled copper plate.
  • the copper plate comprises a magnet system 14 consisting of permanent magnet rods 15, 20 mm in diameter, inserted into the copper plate, which deflect the electron beam 7 through the vapor aperture 10 onto the surface of the copper material 5 to vaporize the copper material. Due to the position of the permanent magnet rods 15th within the aperture 8 in the immediate vicinity of the steam aperture 10 very tight bending radii of the electron beam 7 through steam aperture 10 can be realized.
  • the diaphragm 9 is designed as a cover for the crucible 9, the copper vapor particles 1 1 can leave the crucible 9 only through the steam aperture 10 in the direction of the substrate 3, which prevents the formation of "wild layers" on the one hand and on the other hand Most of the process heat in the area between cover plate 9 and crucible 4 is retained, resulting in a higher process efficiency.
  • the magnet system 14 consists of two subsets of permanent magnet rods 15, of which a first subset in the electron beam direction is viewed before steam aperture 10 and a second subset after steam aperture 10.
  • the second subset on the number of permanent magnet rods 15, a stronger total magnetic field than the first subset to simultaneously deflect the backscatter and secondary electrons in the area between diaphragm 9 and copper material 5.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the plan view of a diaphragm 20 with steam aperture 21, as it can also be used in a device according to FIG.
  • the arrow also indicates the direction of movement of a substrate to be coated.
  • Aperture 20 has a tongue 22, which reduces the opening width of the aperture 21 viewed in the direction of movement of a substrate toward the center.
  • a central region of the vapor stream ascending to a substrate is blanked out and thus a more uniform layer thickness distribution over the width of the substrate is achieved.
  • the electron beam for the evaporation of a material is temporarily deflected on tongue 22, so that it is heated, so that material vapor, which deposits on tongue 22, condenses on this and passes back into the vessel for the material to be evaporated.
  • Material dripping back into the vessel is not as critical in a device according to the invention as in devices according to the prior art, because due to the lower radii of curvature of the electron beam in a device according to the invention Also only smaller steam aperture openings are needed, so that caused by Legitropfendes material splashes are reduced towards the substrate.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen, umfassend eine Vakuumarbeitskammer (2), einen Axialstrahler (6) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (7), mittels dem ein zu verdampfendes Material (5) erhitzbar ist, und eine zwischen dem Material (5) und einem zu beschichtenden Substrat (3) angeordnete Blende (9), welche mindestens eine Dampfapertur (10) aufweist, durch die Materialdampf zum Substrat (3) gelangt, wobei die Blende (9) ein Magnetsystem (14) umfasst, mittels dem der Elektronenstrahl (7) durch die Dampfapertur (10) auf das zu verdampfende Material (5) ablenkbar ist.

Description

Vorrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf das Anwendungsgebiet der physikalischen Dampf- abscheidung (PVD) zum Zwecke des Vakuumbeschichtens von Substraten mit Funktionsschichten wie beispielsweise für den Korrosionsschutz, als Dekor, zur EMV-Schirmung oder Wärmedämmung und hier speziell auf eine Ausführungsform der Dampfquelle, bei der der Dampf durch Heizen eines Verdampfungsgutes mit Elektronenstrahlen aus Axialstrahlern erzeugt wird (nachfolgend auch EB-PVD genannt).
Stand der Technik
Weit verbreitete Dampfquellen der EB-PVD verfügen über so genannte „transverse guns", bei denen Strahlerzeugung, magnetische 270°-Strahlumlenkung und Tiegel mit Verdampfungsgut zumeist in einem kompakten Funktionsblock integriert sind.
Diese Quellen sind relativ preiswert, jedoch in Ihrer maximalen Strahlleistung von ca. 20 kW sowie Beschleunigungsspannung von ca. 20 kV und damit auch der erzeugbaren Ver- dampfungsrate limitiert. Zudem befindet sich die eigentliche Strahlquelle (Katode und
Heizung) auf dem Druckniveau einer Beschichtungskammer und ist den darin befindlichen Dämpfen und Gasen (insbesondere bei reaktiver Prozessführung) direkt ausgesetzt. Infolgedessen muss der Druck in der Beschichtungskammer durch entsprechend großzügige Dimensionierung der Vakuumpumpen auf niedrigen Werten gehalten werden, um In- Stabilitäten im Betrieb der Elektronenquelle zu vermeiden.
Eine hinsichtlich der notwendigen Investitionskosten aufwändigere, aber auch technologisch leistungsfähigere Variante der EB-PVD ist durch den Einsatz von Axialstrahlern (DE 44 28 508 A1 ) gegeben, die für Verdampfungsverfahren mit Strahlleistungen bis 300 kW und Beschleunigungsspannungen bis 60 kV auslegbar sind. Derartige Strahlquellen werden durch Blenden mit kleiner, zumeist kreisförmiger Öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahls, die als Strömungswiderstände fungieren, von der Prozesskammer getrennt und separat mit zusätzlichen Hochvakuumpumpen evakuiert. Damit kann der Verdampfungsprozess auch noch bei höheren Drücken in der Beschichtungskammer ablaufen, und es werden größere Beschichtungsraten erreicht. Allerdings ist insbesondere auf dem Arbeitsgebiet der Hochratebeschichtung großflächiger Substrate (wie zum Beispiel bei Bändern und Platten) ein Direkteinschuss des Elektronenstrahls in einen Verdampfertiegel auf Grund der geometrischen Verhältnisse in der Beschichtungskammer mitunter nicht möglich. Der Axialstrahler wird dann oft in horizontaler Einbauposition angeordnet, und der Elektronenstrahl wird mit einem zusätzlichen magnetischen Umlenksystem, welches mit dem Axialstrahler in einer Vakuumkammerwand integriert ist, zum Tiegel mit dem Verdampfungsgut geführt.
Derartige Umlenksysteme - zumeist auf der Basis stromdurchflossener Spulen mit feld- formenden Polschuhen realisiert - stellen einen erheblichen Kostenfaktor dar, verzerren in negativer Weise die Linearität des Ablenkfeldes sowie den Fokus des Elektronenstrahls und sind in ihrer Wirkung erheblich von der konkreten Materialwahl und Geometrie der Beschichtungskammerwände abhängig, so dass diese für jede Modifikation in der Bedampfungsanordnung zumeist neu optimiert werden müssen.
Alle thermischen Verdampfer, auch die elektronenstrahlbeheizten, weisen eine relativ breite Verteilung der Startrichtungen der von der Oberfläche des Verdampfungsgutes abgedampften Partikel auf, bis hin zu annähernd tangentialen Anteilen. Das heißt, ein erheblicher Anteil des Dampfstromes, der mit wachsendem Abstand zwischen Dampfquelle und Substrat zunimmt, trifft nicht das Substrat, sondern dessen Umgebung und scheidet sich dort in Form so genannter „Wilder Schichten" ab. Neben dem damit verbundenen Verlust an Beschichtungsgut führen die „Wilden Schichten" in der Beschichtungskammer bei Batch- Anlagen zu einer Verlängerung der Evakuierungsdauer und bedeuten bei Inline-Anlagen ein Risiko für die Langzeitstabilität des Prozesses. „Wilde Schichten" müssen daher bei beiden Anlagentypen von Zeit zu Zeit mit oft erheblichem Aufwand aus der Beschichtungskammer entfernt werden.
Die Dampfstromdichte Φ thermischer Verdampfer weist eine charakteristische Abhängigkeit vom Winkel α zwischen der Senkrechten der Verdampfungsgutoberflächen und der Start- richtung der Dampfpartikel auf, die im einfachsten Fall eines Kleinflächenverdampfers
(Ausdehnung der Dampfquelle relativ klein gegenüber den Substratabmessungen und dem Verdampfer-Substrat-Abstand) nach einem verallgemeinerten Kosinusgesetz φ(α) = Φ0 cosn(α) GI.1 beschrieben werden kann. Darin bezeichnet Φo die Dampfstromdichte senkrecht zur Oberfläche des Verdampfungsgutes. Der Exponent n besitzt für die unterschiedlichen Verfahren zur thermischen Verdampfung jeweils charakteristische Werte. Für Hochrate- Elektronenstrahl-Verdampfer liegt er bei etwa 2,5. Aus Gl. 1 folgt unmittelbar, dass bei der Beschichtung ausgedehnter Flachsubstrate mit Kleinflächenverdampfern die Schichtdicke im Bereich des Durchstoßpunktes der Senkrechten der Verdampfungsgutoberfläche durch die Substratebene maximal ist und dann mit wachsendem lateralen Abstand davon abnimmt.
Für das Erzielen sehr gleichmäßiger Schichten auf kleinen Substraten wird daher üblicher- weise mit einem konkav gekrümmten großflächigen Substrathalter gearbeitet, auf dem die einzelnen Substrate in Ebenen annähernd konstanter Dampfstromdichte über dem Verdampfer angeordnet sind und stationär beschichtet werden können. Diese Herangehensweise ist für großflächige Flachsubstrate nicht praktikabel.
Bei Flachsubstraten lässt sich die Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Schichtdicken durch Erhöhen des Abstandes zum Verdampfer in einfacher Weise verbessern. Allerdings sinkt dabei die Dampfausbeute (Verhältnis der auf dem Substrat abgeschiedenen zur insgesamt verdampften Materialmenge), während die Anforderungen an das Vakuumsystem der Beschichtungskammer (niedrigerer Restgasdruck erforderlich) und an deren Größe aufgrund des hierfür benötigten Bauraumes steigen.
Ein vielfach praktizierter Weg zur Verbesserung der Homogenität der Schichtdicke auf großflächigen Substraten bei moderatem Abstand zum Verdampfer ist es, mehrere Kleinflächen- verdampfer über die Substratdimension räumlich verteilt anzuordnen und deren individuelle Dampfstromdichteverteilungen in der Substratebene geeignet zu superponieren. Dieses Verfahren bringt einen erhöhten apparativen Aufwand mit sich.
Speziell im Fall der Elektronenstrahl-Verdampfung mit leistungsstarken Axialstrahlern wird meist eine andere Lösungsstrategie verfolgt. Diese besteht darin, die Ausdehnung des mit Verdampfungsgut gefüllten Tiegels an die Substratdimensionen anzupassen. Durch eine großflächige, zweidimensionale und zeitabhängige, dynamische Ablenkung des Elektronenstrahls, mitunter kombiniert mit einem statischen magnetischen Umlenkfeld, kann der Zeitmittelwert der vom Elektronenstrahl lokal in einen Oberflächenbereich des Verdampfungsgutes eingestrahlten Energie und damit auch der lokalen Verdampfungsrate gesteuert werden. Dieses Verfahren führt, insbesondere falls das Verdampfungsgut nicht sublimierend verdampft, sondern ein auf Grund des Wärmeausgleichs durch Leitung und Konvektion ausgedehntes Schmelzbad ausbildet, zu einer erhöhten thermischen Belastung der Substrate durch Wärmestrahlung.
Ein weiterer Weg zur gleichmäßigeren Verteilung der Schichtdicke, das für im Vorschubverfahren beschichtete Substrate mitunter angewandt wird, ist das Anordnen einer speziellen Blende in der Beschichtungskammer zwischen Verdampfer und Substrat, die in Transportrichtung des Substrates unterschiedliche Öffnungsweiten besitzt (kleine Öffnungsweite im Zentrum des Substrates und zu den Rändern hin zunehmende Öffnungs- weite). Diese so genannte „Hundeknochenblende" führt allerdings auch zu einer weiteren Verringerung der Dampfausbeute, da das von einer ungeheizten Blende zurückgehaltene Material nicht wieder in den Verdampfer zurückgeführt werden kann.
Charakteristisch für das Elektronenstrahlverdampfen ist, dass - abhängig hauptsächlich vom Auftreffwinkel des Elektronenstrahls auf dem Verdampfungsgut und von dessen Kernladungszahl - ein gewisser Bruchteil der Elektronen vom Verdampfungsgut nicht absorbiert, sondern zurückgestreut wird. Diese Rückstreuelektronen transportieren eine erhebliche Energiemenge, die dem Verdampfungsprozess entzogen wird und zudem zur meist unerwünschten thermischen Belastung des Substrates beiträgt. Zur Fernhaltung dieser Rück- Streuelektronen von temperatur- oder ladungsempfindlichen Substraten müssen daher zusätzliche Einrichtungen zur Erzeugung magnetischer Abschirmfelder in die Beschichtungskammer integriert werden, die auch als „Magnetfallen" bezeichnet werden.
Die charakteristische Bewegungsenergie Ekιn durch thermisches Verdampfen erzeugter Partikel ist zur Verdampfungstemperatur Tv proportional gemäß
Ekin = kB -Tv . Gl. 2
Mit der Boltzmannkonstanten kB ergibt sich so beispielsweise für eine Verdampfungstemperatur von Tv = 3000 K eine charakteristische Bewegungsenergie von Ekιn = 0.25 eV.
Diese Bewegungsenergie ist um mehr als eine Größenordnung kleiner als die beim alternativen PVD-Verfahren des Magnetronsputtems auftretenden Partikelenergien. Folgerichtig muss ein thermisches Verdampfen, insbesondere bei hohen Beschichtungsraten, oft mit zusätzlichen Einrichtungen zum Erhöhen der Teilchenenergie kombiniert werden, um haftfeste und dichte Schichten zu erzielen. Ein etabliertes Verfahren ist die so genannte „plasmaaktivierte Verdampfung" (DE 43 36 681 A1). Hierbei wird mittels einer zusätzlichen Plasmaquelle (zumeist Bogen- entladungs- oder HF-Quellen) zwischen Verdampfer und Substrat ein dichtes Plasma erzeugt. Beim Durchqueren dieses Plasmas wird ein Teil der Dampfpartikel ionisiert und auf Grund der elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Bulk-Plasma und dem Substrat (im einfachsten Fall durch den Selbstbias-Effekt, optional verstärkt durch Anlegen externer Bias- Spannungen (US 3,791 ,852)) in der Randschicht des Plasmas zum Substrat hin beschleunigt, wodurch die mittlere Energie der kondensierenden Teilchen ansteigt und sich die Schichtqualität auch bei hohen Kondensationsraten deutlich verbessert.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass diese einen gewichtigen technologischen Vorteil des thermischen Verdampfens, nämlich die - bezogen auf gleiche dynamische Beschichtungsraten - gegenüber dem Sputterverfahren deutlich (um den Faktor 2 bis 3) niedrigere thermische Substratbelastung teilweise zunichte macht. Das resultiert aus den bei diesem Aktivierungsmechanismus in Substratnähe notwendigerweise hohen Plasmadichten und daraus folgender zusätzlicher thermischer Substratbelastung.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik bei Elektronenstrahlverdampfern überwunden werden können. Insbesondere soll die Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik einen kompakten und preiswerten mechanischen Aufbau, lange Beschichtungs- dauern und Wartungsintervalle, minimale magnetische Interferenzen mit der Beschichtungskammer, einen hohen Dampfausnutzungsgrad am Substrat, wenig „Wilde Schichten", eine minimale thermische Substratbelastung durch Wärmestrahlung oder Rückstreuelektronen, eine Gleichmäßigkeit der Schichtdicke bei geringem Verdampfer- Substrat-Abstand, eine reduzierte Spritzerbildung bei Tiegeln mit Materialnachfütterung sowie universelle Einbaulösungen ermöglichen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen umfasst eine Vakuumarbeitskammer, einen Axialstrahler zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mittels dem ein zu verdampfendes Material erhitzbar ist und eine zwischen dem Material und einem zu beschichtenden Substrat angeordnete Blende, welche mindestens eine Dampf- apertur aufweist, durch die Materialdampf zum Substrat gelangt, wobei die Blende ein Magnetsystem umfasst, mittels dem der Elektronenstrahl durch die Dampfapertur auf das zu verdampfende Material ablenkbar ist.
Das Verdampfen des Materials kann entweder tiegellos (zum Beispiel für sublimierende Materialien von einem rotierenden Zylinder) oder aus einem Gefäß erfolgen, das wiederum beispielsweise als wassergekühlter Kupfertiegel mit Strangnachschub oder als thermisch isolierter Block (so genannter „heißer Tiegel", ohne oder mit Materialzufuhr zum Beispiel über einen Drahtvorschub) ausführbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Blende zwischen einem Gefäß mit Verdampfungsgut und Substrat, nur wenige Zentimeter über der Oberkante des Gefäßes, angeordnet und als horizontale Verbund-Abdeckplatte des Gefäßes ausgebildet, die gefäß- seitig aus einer ersten Schicht temperaturbeständigen Materials mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (zum Beispiel Graphitfilz, Granulatschüttung, Kiespackung) und unmittelbar darüber aus einer zweiten Schicht wassergekühlten Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit (zum Beispiel Kupfer, Massivgraphit, Aluminium, Edelstahl) besteht, innerhalb der das magnetische Ablenksystem für den Elektronenstrahl (bestehend aus stromdurchflossenen, längsgestreckten Spulen oder Permanentmagnet- Stäben) angeordnet ist. Alternativ kann die Abdeckplatte auch direkt auf dem Gefäß als eine Art Gefäßdeckel angeordnet sein.
Die wärmeisolierende erste Schicht der Verbund-Abdeckplatte wird so dimensioniert, dass sich auf Grund des Wärmeeintrages vom eigentlichen Verdampfungsort bzw. der Oberfläche des Verdampfungsgutes her (Wärmestrahlung, Rückstreuelektronen, Kondensationswärme) oder durch zusätzliche Beheizung (zum Beispiel mit Strahlungsheizer oder durch geeignete Ablenkung des primären Elektronenstrahls auf mit der Verbund-Abdeckplatte gekoppelte Absorber) an Ihrer Unterseite eine Temperatur einstellt, die einerseits genügend hoch ist, um ein Aufwachsen von Schichten des Verdampfungsgutes zu verhindern (im Fall schmelzenden Verdampfungsgutes, zum Beispiel durch Kondensation des Dampfes und Abtropfen/Ablaufen der gebildeten flüssigen Phase zurück in das Gefäß), die andererseits aber so niedrig ist, dass eine thermische Schädigung noch nicht auftritt. Als Wärmesenke für eine definierte Kühlung der Oberseite der wärmeisolierenden ersten Schicht der Verbund-Abdeckplatte dient dabei die darüberliegende zweite Schicht wassergekühlten Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit, ggf. mit Zwischenschaltung eines Strahlungswärmeüberganges. Ein Strahlungswärmeübergang kann beispielsweise mittels Abstand- halten zwischen beiden Schichten realisiert werden.
In der Blende befinden sich weiterhin eine oder mehrere Öffnungen, durch die der im Gefäß gebildete Dampf hindurchtreten und das Substrat erreichen kann. Diese Öffnungen - auch als Dampfapertur bezeichnet - werden so geformt (im einfachsten Falle rechteckig) und bemessen, dass von den mit breiter Richtungsverteilung an der dampfabgebenden Oberfläche des Verdampfungsgutes freigesetzten Dampfteilchen überwiegend nur die auf das Substrat gerichteten Dampfteilchen eine Dampfapertur passieren können, während die anderen Dampfteilchen von der Blende zurückgehalten werden.
Neben einer plattenförmig ausgebildeten Blende kann die Blende einer erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch beispielsweise auch haubenförmig ausgebildet und über dem zu verdampfenden Material angeordnet sein. Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Blende das zu verdampfende Material teilweise oder vollständig umhüllt.
Für im Vorschubverfahren zu beschichtende Substrate ist es aber auch möglich, die Dampfapertur einer Blende so zu formen, beispielsweise mittels Abdeckzungen, dass ein bestimmter Anteil des Dampfstromes, insbesondere aus den zentralen Bereichen der Dampfdichteverteilung, unmittelbar über der dampfabgebenden Oberfläche im Verdampfer zurückgehalten wird und nicht in die Kammer oder zum Substrat gelangt. Dies kann beispielsweise mit so genannten Abdeckzungen realisiert werden, wobei die Abdeckzungen derart angeordnet sein können, dass sie vom primären Elektronenstrahl bei geeigneter programmierter Ablenkung getroffen und dadurch erhitzt werden können. Das an den Abdeckzungen abgeschiedene Material wird dabei durch Sublimation oder Schmelzen und Abtropfen von heißen Abdeckzungen entfernt, diese somit gereinigt und das ursprünglich zurückgehaltene Material wieder dem Verdampfungsprozess zugeführt.
Gleichzeitig bildet eine Dampfapertur bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung den Einschusskanal für den Elektronenstrahl. Unmittelbar an der einschussseitigen wie auch an der gegenüberliegenden Kante der Dampfapertur, und damit hinreichend weit von den Wänden der Beschichtungskammer entfernt, sind Magnete (Permanentmagnete oder Magnetspulen) angeordnet, die starke lokalisierte Magnetfelder (mit Hauptkomponenten in horizontaler Ebene und senkrecht zur Strahleinschussrichtung) erzeugen. Damit können lokal sehr kleine Bahnkrümmungsradien des primären Elektronenstrahls bei Umlenkwinkeln bis zweckmäßigerweise 90° realisiert werden. Bei bekannten Einrichtungen, bei denen das Magnetsystem zum Ablenken des Elektronenstrahls direkt am Axialstrahler und/oder in einer Kammerwand angeordnet ist, sind derart enge Biegeradien des Elektronenstrahls durch eine Dampfapertur hindurch nicht realisierbar.
Bei einer Ausführungsform besteht das Magnetsystem zum Ablenken des Elektronenstrahls aus zwei Teilkomponenten, von denen eine Teilkomponente in Elektronenstrahlrichtung betrachtet vor einer Dampfapertur und eine Teilkomponente nach der Dampfapertur angeordnet ist. Die vom Axialstrahler weiter entfernt angeordnete Magnetsystemkomponente kann so bemessen sein, dass diese überwiegend die in Analogie zum optischen Reflexionsgesetz von der Oberfläche des Verdampfungsgutes emittierten Rückstreu- und Sekundär- elektronen beeinflusst, weniger stark aber den primären Elektronenstrahl. Da zudem der Hauptbereich des Energiespektrums der sekundären Elektronen bei Energien deutlich unter der des primären Elektronenstrahls liegt, können für diese Elektronen überwiegend noch wesentlich kleinere Bahnkrümmungsradien als für den primären Elektronenstrahl eingestellt werden. Ein hoher prozentualer Anteil der Rückstreuelektronen wird daher im Bereich zwischen der Oberfläche des Verdampfungsgutes und der Blende zurückgehalten.
Soll die Verdampfung aus einem Tiegel mit Materialnachfütterung erfolgen, können die nicht unmittelbar unter einer Dampfapertur gelegenen Oberflächenbereiche des Verdampfungsgutes vorteilhafterweise zur Zufuhr neuen Verdampfungsmateriales genutzt werden. Dabei sollten die Oberflächen dieser Nachfütterungszonen durch temperaturbeständige und chemisch inaktive Barrieren von denen der Hauptverdampfungszonen getrennt werden, um in der Schmelzphase möglicherweise aufschwimmende leichte Verunreinigungen des Fütterungsmateriales vom direkten Einwirkbereich des Elektronenstrahls fernzuhalten.
Ein Verdampfer kann ferner so gestaltet werden, dass eine elektrische Kontaktierung des Verdampfungsgutes, ggf. durch Kontaktierung des Gefäßes sowie der Blende, möglich ist und eine Gasentladung beispielsweise in Form einer Bogenentladung zur Ionisierung des Dampfes gezündet werden kann. Die Ausbildung und Stabilität dieser Entladung kann durch Integration eines geeigneten Elektronenspenders (zum Beispiel eine zusätzliche Hohlkatode, Nutzung eines stromgeheizten Wolframdrahtes oder der vom Elektronenstrahl heizbaren Abdeckzungen in der Dampfapertur als thermionische Emitter) gefördert werden. Eine Beschleunigung der gebildeten Ionen erfolgt dabei bereits durch das sich im nichthomogenen Magnetfeld in der Nähe der Dampfapertur einstellende elektrische Feld.
Auf diese Weise wird ein Elektronenstrahlverdampfer realisiert, bei dem das magnetische Umlenkfeld in kompakter Weise direkt in die Verdampfer-Baugruppe integriert sowie geeignet abgeschirmt ist und dadurch wenig oder gar nicht mit den Wänden und Einbauten einer Beschichtungskammer interferiert. Damit wird ein Verdampfer, umfassend ein zu verdampfendes Material (mit oder ohne Gefäß) und eine Blende mit Dampfapertur und integriertem Magnetsystem, zu einer Universalbaugruppe, die weitgehend unabhängig von der jeweils konkreten Einbausituation in einer Vakuumkammer ist, die in einfacher Weise an unterschiedliche Beschichtungskammern angepasst werden kann und den oft wünschenswerten horizontalen Einbau einer Elektronenstrahlkanone ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Realisierung des magnetischen Umlenkfeldes eines Elektronenstrahls an oder innerhalb einer Blende in unmittelbarer Nähe des zu verdampfenden Materials erlaubt zudem auch eine Steuerung der Richtungsverteilung bzw. der Trajektorien der Rückstreuelektronen. Das kann im einfachsten Fall der Abschirmung des Substrates gegenüber den Rückstreuelektronen durch deren Ablenkung zu einer Kammerwand oder der Blende hin dienen, wodurch die thermische Substratbelastung reduziert wird.
Es sind aber auch Magnetanordnungen und daraus resultierende Trajektorien denkbar, bei denen die Rückstreuelektronen nahezu vollständig im Bereich zwischen Verdampfungsgut und Tiegelabdeckung verbleiben und dort Ihre Energie nutzbringend abgeben, was zu einer Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Verdampfers führt.
Zudem wächst auf Grund der erhöhten Dichte niederenergetischer Rückstreu- und Sekundärelektronen im Verdampfungsbereich die Wahrscheinlichkeit der Ionisierung von Dampfteilchen unmittelbar in Nähe des verdampfenden Materials. Auf Grund der Inhomogenität des Magnetfeldes kann sich dann ein vertikaler Gradient des elektrischen Potentials über dem Verdampfer ausbilden, der zur Beschleunigung von Ionen zum Substrat hin führt. Dieser Mechanismus erfordert, im Unterschied zur oben beschriebenen Aktivierung durch Beschleunigung des lonenanteils im Dampf innerhalb der Grenzschicht zwischen Plasma und Substrat, keine hohen Plasmadichten am Substrat, wodurch eine Verbesserung der Schichtqualität bei deutlich weniger erhöhter thermischer Belastung erzielt wird.
Eine geeignet geformte Dampfapertur in einer Blende erlaubt gleichzeitig den Eintritt des Elektronenstrahls zur Oberfläche des Verdampfungsgutes hin wie auch den Austritt des Dampfes. Wegen der speziellen Anordnung und Dimensionierung des an oder in der Blende integrierten magnetischen Umlenksystems für den Elektronenstrahl können diese Öffnungen sehr klein gehalten werden. Damit ist es möglich, Dampfströme zu realisieren, bei denen überwiegend Materialdampf durch die Dampfapertur gelangt, der das Substrat erreicht, nicht aber dessen Umgebung. Dadurch wird einerseits eine längere Betriebsdauer bei gegebenem Materialvorrat erzielt und andererseits das Ausbilden „Wilder Schichten" unterdrückt, was gleichbedeutend mit längeren Wartungsintervallen ist.
Geeignet geformte und mit dem Elektronenstrahl beheizbare Abdeckzungen als Bestandteil einer Blende zum Formen einer Dampfapertur gestatten das Ausblenden bestimmter
Anteile des von der Dampfquelle erzeugten Dampfstromes. Dadurch kann die Dampfstromdichteverteilung außerhalb des Verdampfers, die ohne diese Zusatzmaßnahme der verallgemeinerten Kosinusverteilung nach Gl. 1 genügt, derart modifiziert (gewissermaßen „egalisiert") werden, dass für eine gegebene Anzahl von unter einem ausgedehnten, im Vorschubverfahren zu beschichtenden Substrat angeordneten Dampfquellen und vom jeweiligen Anwendungsfall geforderte laterale Homogenität der Schichtdicke mit erheblich kleineren Verdampfer-Substrat-Abständen gearbeitet werden kann, wodurch Abmessungen einer Beschichtungskammer minimiert werden können.
Die von einer Blende zurückgehaltenen Anteile des Dampfstromes gehen dabei nicht als „Wilde Schichten" innerhalb einer Vakuumkammer verloren, sondern werden im Verdampfer zurückgehalten, was auch zu einer Verbesserung des Dampfausnutzungsgrades führt.
Aufgrund der als Strahlungsschirm wirkenden geschlossenen Teilbereiche der Blende, die einen Verdampfertiegel zum Substrat hin abdecken, wird auch die thermische Belastung eines Substrates reduziert.
Insbesondere bei Gefäßen mit Materialnachfütterung, die zu verstärkter Spritzerbildung auf Grund von Verunreinigungen mit hohem Dampfdruck im Füttermaterial neigen, können die abgedeckten und mit einer Barriere vom direkten Einwirkbereich des Elektronenstrahls abgetrennten Bereiche des Tiegels als Zuführungszonen für das Füttermaterial verwendet und das zugeführte Material vor der eigentlichen Verdampfung zunächst der reinigenden Wirkung des Vakuums (beispielsweise durch Entgasung, fraktionierte Destillation, Sedimentation oder Floatation) unterworfen werden. Die dabei eventuell auftretende Verspritzung von Material ist unschädlich, da die Spritzer von der Blende zurückgehalten werden und das-Substrat nicht erreichen, wodurch bezüglich eines zu beschichtenden Substrates eine spritzerfreie, stabilere Verdampfung auch bei Tiegeln mit Materialnachfütterung realisiert wird, deren Beschichtungsdauer nicht durch den Materialvorrat in einem Tiegel limitiert ist.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Blende mit Dampfapertur.
In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 dargestellt, mittels der innerhalb einer Vakuum- arbeitskammer 2 auf einem Substrat 3, einer Polycarbonatplatte, eine Kupferschicht aufgedampft werden soll, wobei der Pfeil über Substrat 3 die Bewegungsrichtung des Substrates angibt. In einem Graphittiegel 4 befindet sich das zu verdampfende Kupfermaterial 5, welches mittels eines von einem Axialstrahler 6 erzeugten Elektronenstrahls 7 erhitzt wird. Der Tiegel 7 ist zur thermischen Isolation in eine Schicht 8 aus Quarzkies ein- gebettet.
Oberhalb des Tiegels 4 ist eine Blende 9 in Form einer Abdeckplatte für Tiegel 4 angeordnet, welche eine Dampfapertur 10 aufweist, durch die Kupferdampf partikel 1 1 vom Tiegel 4 zum Substrat 3 hin aufsteigen können. Blende 9 umfasst zwei Schichten 12 und 13. Die dem Kupfermaterial 5 zugewandte Schicht 12 besteht aus 40 mm dickem Graphitfilz. Schicht 13 ist eine 30 mm dicke, wassergekühlte Kupferplatte. Die Kupferplatte umfasst ein Magnetsystem 14, bestehend aus in die Kupferplatte eingelassenen Permanentmagnetstäben 15 mit einem Durchmesser von 20 mm, die den Elektronenstrahl 7 durch die Dampfapertur 10 hindurch auf die Oberfläche des Kupfermaterials 5 ablenken, um das Kupfermaterial zu verdampfen. Aufgrund der Position der Permanentmagnetstäbe 15 innerhalb der Blende 8 in unmittelbarer Nähe zur Dampfapertur 10 sind sehr enge Biegeradien des Elektronenstrahls 7 durch Dampfapertur 10 hindurch realisierbar.
Dadurch, dass die Blende 9 als Deckel für den Tiegel 9 ausgebildet ist, können die Kupfer- dampfpartikel 1 1 den Tiegel 9 nur durch Dampfapertur 10 hindurch in Richtung Substrat 3 verlassen, wodurch zum einen das Ausbilden „Wilder Schichten" verhindert und zum anderen ein Großteil der Prozesswärme im Bereich zwischen Abdeckplatte 9 und Tiegel 4 zurückgehalten wird, was zu einer höheren Prozesseffizienz führt.
Das Magnetsystem 14 besteht aus zwei Teilmengen von Permanentmagnetstäben 15, von denen eine erste Teilmenge in Elektronenstrahlrichtung betrachtet vor Dampfapertur 10 und eine zweite Teilmenge nach Dampfapertur 10 angeordnet ist. Dabei weist die zweite Teilmenge über die Anzahl der Permanentmagnetstäbe 15 ein stärkeres Gesamtmagnetfeld auf als die erste Teilmenge, um gleichzeitig die Rückstreu- und Sekundärelektronen in den Bereich zwischen Blende 9 und Kupfermaterial 5 abzulenken.
Innerhalb der Quarzkiesschicht 8 sind weitere Permanentmagnetstäbe 16 unterhalb der Dampfapertur 10 eingelassen, welche bewirken, dass der Elektronenstrahl 7 mit einem noch steileren Winkel auf die Oberfläche des Kupfermaterials 5 auftritt. Alle Permanent- magnetstäbe 15 und 16 sind mit gleicher Polarität ausgerichtet.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Draufsicht auf eine Blende 20 mit Dampfapertur 21 , so wie sie auch in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 einsetzbar ist. Der Pfeil gibt auch hier die Bewegungsrichtung eines zu beschichtenden Substrates an. Blende 20 weist eine Zunge 22 auf, die die Öffnungsweite der Apertur 21 in Bewegungsrichtung eines Substrates betrachtet zur Mitte hin verringert. Dadurch wird ein zentraler Bereich des zu einem Substrat aufsteigenden Dampfstromes ausgeblendet und somit eine gleichmäßigere Schichtdickenverteilung über die Breite des Substrates erzielt. Vorteilhaft ist es, wenn der Elektronenstrahl zum Verdampfen eines Materials zeitweise auf Zunge 22 ablenkbar ist, damit diese erhitzt wird, so dass Materialdampf, der sich an Zunge 22 abscheidet, an dieser kondensiert und wieder zurück in das Gefäß für das zu verdampfende Material gelangt.
In das Gefäß zurücktropfendes Material ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht so kritisch wie bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, weil auf Grund der ge- ringeren Krümmungsradien des Elektronenstrahls bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch nur kleinere Dampfaperturöffnungen benötigt werden, so dass durch zurücktropfendes Material verursachte Verspritzungen zum Substrat hin reduziert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen, umfassend eine Vakuumarbeitskammer (2), einen Axialstrahler (6) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (7), mittels dem ein zu verdampfendes Material (5) erhitzbar ist, und eine zwischen dem Material
(5) und einem zu beschichtenden Substrat (3) angeordnete Blende (9), welche mindestens eine Dampfapertur (10) aufweist, durch die Materialdampf zum Substrat (3) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) ein Magnetsystem (14) umfasst, mittels dem der Elektronenstrahl (7) durch die Dampfapertur (10) auf das zu verdampfende Material (5) ablenkbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) in Materialnähe angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Material (5) in einem Gefäß (4) befindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß ein wassergekühlter Kupfertiegel ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (4) als thermisch isolierter Block, als so genannter „heißer Tiegel", ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß eine Einrichtung zum Nachführen des zu verdampfenden Materials umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (14) mindestens einen Permanentmagneten (15) umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem mindestens eine Magnetspule umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) plattenförmig ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende haubenförmig ausgebildet ist.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende das Material teilweise oder vollständig umschließt.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) auf der dem zu verdampfenden Material zugewandten Seite eine erste Schicht (12) umfasst, die aus einem hitzebeständigen Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht und auf der dem zu verdampfenden Material abgewandten Seite eine zweite Schicht (13) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (12) aus Graphitfilz, einer Granulatmischung oder einer Kiespackung besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (13) aus Kupfer, Massivgraphit, Aluminium oder Edelstahl besteht.
1 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (13) wassergekühlt ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfapertur (10) rechteckig ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfapertur (21), in Bewegungsrichtung des Substrates betrachtet, in der Mitte eine geringere Öffnungsweite aufweist als in den Randbereichen.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl zumindest auf Teilbereiche der Blende ablenkbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verdampfende Material oder/und das Gefäß als Elektrode einer Gasentladung geschaltet ist/sind.
PCT/EP2007/005715 2006-07-06 2007-06-28 Vorrichtung zum elektronenstrahlverdampfen WO2008003425A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2007800256069A CN101484966B (zh) 2006-07-06 2007-06-28 电子束蒸发装置
JP2009516988A JP5150626B2 (ja) 2006-07-06 2007-06-28 電子ビーム蒸発装置
EP07764905A EP2038912A1 (de) 2006-07-06 2007-06-28 Vorrichtung zum elektronenstrahlverdampfen

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006031244.9 2006-07-06
DE200610031244 DE102006031244B4 (de) 2006-07-06 2006-07-06 Vorrichtung zum Verdampfen eines Materials mittels eines Elektronenstrahls und zum Abscheiden des Dampfes auf ein Substrat

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008003425A1 true WO2008003425A1 (de) 2008-01-10

Family

ID=38421460

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/005715 WO2008003425A1 (de) 2006-07-06 2007-06-28 Vorrichtung zum elektronenstrahlverdampfen

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2038912A1 (de)
JP (1) JP5150626B2 (de)
CN (1) CN101484966B (de)
DE (1) DE102006031244B4 (de)
WO (1) WO2008003425A1 (de)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009014891B4 (de) 2009-03-25 2012-12-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Verdampfen eines Materials in einer Vakuumkammer
CN102315148A (zh) * 2010-06-30 2012-01-11 上方能源技术(杭州)有限公司 用于镀膜的基板传输装置和基板传输方法
KR20150114486A (ko) * 2013-01-30 2015-10-12 프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우 에피택셜 반도체층을 제조하기 위한 방법
EP4379087A2 (de) 2013-03-15 2024-06-05 RTX Corporation Abscheidungsvorrichtung und -verfahren
CN103983381B (zh) * 2014-05-30 2017-01-25 北京卫星环境工程研究所 真空条件下单颗粒粘附力和带电量的测试系统及测试方法
CN107620047A (zh) * 2017-08-25 2018-01-23 苏州安江源光电科技有限公司 一种用于pvd镀膜的反应腔室以及加工方法
EP3720984A4 (de) * 2017-12-06 2021-09-01 Arizona Thin Film Research LLC Systeme und verfahren zur generativen fertigung für die abscheidung von metall- und keramikmaterialien
DE102018131904A1 (de) * 2018-12-12 2020-06-18 VON ARDENNE Asset GmbH & Co. KG Verdampfungsanordnung und Verfahren
CN110117772B (zh) * 2019-06-14 2024-03-15 费勉仪器科技（上海）有限公司 一种超稳定三电极电子束蒸发源

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3345059A (en) * 1965-03-12 1967-10-03 United States Steel Corp Crucible for holding molten metal
US4061871A (en) 1975-05-02 1977-12-06 Leybold-Heraeus Gmbh & Co. Kg Electron gun for heating, melting and vaporizing purposes, with deflection systems
WO1990014682A1 (en) * 1989-05-22 1990-11-29 Hanks Charles W Magnetic structure for electron-beam heated evaporation source
DE4225352C1 (de) 1992-07-31 1993-11-18 Leybold Ag Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen und Verfahren
DE4342574C1 (de) * 1993-12-14 1995-04-13 Hilmar Weinert Bandbedampfungsanlage
DE4336681A1 (de) * 1993-10-27 1995-05-04 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Einrichtung zum plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfen

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1814142A1 (de) * 1967-12-13 1969-07-31 Lokomotivbau Elektrotech Einrichtung zum Bedampfen im Vakuum von grossen Flaechen
JPS63247358A (ja) * 1987-04-03 1988-10-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 金属薄膜の製造装置
JPH0294250U (de) * 1989-01-17 1990-07-26
DE4336680C2 (de) * 1993-10-27 1998-05-14 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3345059A (en) * 1965-03-12 1967-10-03 United States Steel Corp Crucible for holding molten metal
US4061871A (en) 1975-05-02 1977-12-06 Leybold-Heraeus Gmbh & Co. Kg Electron gun for heating, melting and vaporizing purposes, with deflection systems
WO1990014682A1 (en) * 1989-05-22 1990-11-29 Hanks Charles W Magnetic structure for electron-beam heated evaporation source
DE4225352C1 (de) 1992-07-31 1993-11-18 Leybold Ag Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen und Verfahren
DE4336681A1 (de) * 1993-10-27 1995-05-04 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Einrichtung zum plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfen
DE4342574C1 (de) * 1993-12-14 1995-04-13 Hilmar Weinert Bandbedampfungsanlage

Also Published As

Publication number Publication date
JP5150626B2 (ja) 2013-02-20
EP2038912A1 (de) 2009-03-25
CN101484966A (zh) 2009-07-15
CN101484966B (zh) 2012-05-30
DE102006031244A1 (de) 2008-01-10
JP2009542900A (ja) 2009-12-03
DE102006031244B4 (de) 2010-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006031244B4 (de) Vorrichtung zum Verdampfen eines Materials mittels eines Elektronenstrahls und zum Abscheiden des Dampfes auf ein Substrat
EP0463230B1 (de) Vorrichtung zum Beschichten von Substraten
EP0666933B1 (de) Einrichtung zum plasmagestützten elektronenstrahl-hochratebedampfen
DE2547552B2 (de) Schichtaufdampfverfahren und -einrichtung
DE3206882A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verdampfen von material unter vakuum
DE102009019146B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Hochratenbeschichtung durch Hochdruckverdampfen
DE19546827C2 (de) Einrichtung zur Erzeugung dichter Plasmen in Vakuumprozessen
WO2013097842A2 (de) Vorrichtung zum verdampfen eines verdampfungsguts
DE102008032256B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden aus der Dampfphase mit Sputterverstärkung
EP0603464A1 (de) Verfahren zum Beschichten von Substraten
DE4020158A1 (de) Vorrichtung zum beschichten von substraten
WO2008092485A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum beschichten von plattenförmigen oder bandförmigen metallischen substraten
EP0776987B1 (de) Vakuumbeschichtungsanlage mit einem in der Vakuumkammer angeordneten Tiegel zur Aufnahme von zu verdampfendem Material
DE102005040087A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Absorber-Schichten für Dünnschicht-Solarzellen
DE69634071T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats
DE102014110835B4 (de) Vorrichtung zum Bedampfen eines Substrates innerhalb einer Vakuumkammer
DE1796166C3 (de) Verfahren und Vorrichtungen zum Bedampfen aufrechtstehender Substrate, insbesondere Glasscheiben
DE4225352C1 (de) Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen und Verfahren
EP2746424B1 (de) Verdampfungsquelle
DE102013206210B4 (de) Vakuumbeschichtungsvorrichtung und Verfahren zur Mehrfachbeschichtung
DE2628765C3 (de) Vorrichtung zum Aufdampfen insbesondere sublimierbarer Stoffe im Vakuum mittels einer Elektronenstrahlquelle
JPS63238264A (ja) 蒸着物質の蒸気およびクラスタ−噴出装置
EP1397525A1 (de) Einrichtung zur plasmaaktivierten bedampfung grosser flächen
DE4421045C2 (de) Einrichtung zur plamagestützten Beschichtung von Substraten, insbesondere mit elektrisch isolierendem Material
DE1270354C2 (de) Verfahren zum vakuumaufdampfen von schichten auf elektrisch isolierende unterlagen aus glas, keramik o.dgl. durch elektronenbeschuss

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200780025606.9

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07764905

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009516988

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007764905

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU