DE2004184B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufdampfen von Metallen oder Metallverbindungen auf einem Träger im Vakuum mit Hilfe einer Elektronenstrahlkanone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufdampfen dünner Schichten von Metallen oder Metallverbindungen auf einen Träger im Vakuum mit Hilfe einer Elektronenstrahlkanone. bei dein die Heizleistung der F.lektronenstrahlkan^ne entsprechend einem vorgegebenen Wen eingestellt und gegebenenfalls durch Messung der Dampfdichte nachgeregelt Es sind Verfahren bekannt, bei denen eine Regelung der Dampfdichte zum Zweck der Sicherstellung einer gleichmäßigen Aufdampischicht vorgenommen wird (deutsche Auslegeschrift 1295310, britische Pa-

tentschrift 738592 und deutsche Offenlegungsschrift 1515363). Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird eine möglichst große Homogenität der aufgedampften Schicht angestrebt, alle Steuer- und Regelmaßnahmen dienen dazu, diese Homogenität zu gewährleisten,

ίο d. h. insbesondere während des gesamten Bedampfungsvorganges konstante Verdampfungsraten zu erzielen.

Das gleiche Ziel liegt auch dem bekannten Verfahren gemäß der USA.-Patentschrift 3347701 zu-

gründe. Bei diesem bekannten Verfahren wird zwar ein »Programmer« verwendet, welcher jedoch nicht der Änderung der Dampfdichte während des Bedampfungsvorganges dient. Vielmehr ist in dieses Programmgerät ein Programm eingegeben, welches

die Heizung ein- und ausschaltet und somit die Heizleistung steuert. Die Steuerung der Homogenität der aufgedampften Schicht erfolgt in herkömmlicher Weise.

Es ist bekannt, daß die Eigenschaften von aufge-

a₅ dampften Metallschichten von der Wachstumsgeschwindigkeit während des Aufdampfens und damit von der Schichtstruktur sowie von der kondensierten Dampfmenge und damit von der Dicke der aufgedampften Schicht abhängig sind. Bei bekannten Ein-

richtungen zum Bedampfen von Bändern mit Metallen wird daher die Dampfdichte durch Änderung der Heizleistung des Verdampfers, teilweise von Hand, und die niedergeschlagene Dampfmenge durch Abschalten der Heizleistung oder Unterbrechen der Dampfzufuhr durch eine Blende gesteuert. Da die Änderungsgeschwindigkeit der Dampfdichte aber oftmals wegen der Trägheit der Verdampfer zu klein ist, werden statt der Änderung der Heizleistung dicht über dem Verdampfer angeordnete Blenden verwendet, durch die der aus dem Verdampfer austretende Dampf mit der gewünschten Dichte und Dauer hindurchtritt und auf einem zu bedampfenden Gegenstand niedergeschlagen wird. Bei dieser Anordnung wird die Änderungsgeschwindigkeit der Dampfdichte durch die Massenträgheit der Blenden begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten von Metallen oder Metallverbindungen auf Trägern verschiedenster Art zu entwickeln, bei dem eine veränderliche Wachstumsgeschwindigkeit und die dadurch beeinflußte Schichtstruktur durch eine möglichst trägheitslos gesteuerte Änderung der Dampfdichte erzielt wird. Es soll also durch diese Änderung der Dampfdichte eine gezielte Änderung der Schichtstruktur er- reicht werden.

Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß bei Bedampfungseinrichtungen, die mit einem Elektronenstrahl beheizt werden, das beheizte Badvolumen sehr gering ist, da die Eindringtiefe des Elektronenstrahlsindie Badoberfläche nur wenige /im betragt.

Bei derartigen Bedampfungseinrichtungen können dünne Schichten mit den gewünschten Eigenschaften gemäß der Erfindung dadurch hergestellt werden, daß die Dampfdichte während des Bedampfungsvorganges durch Änderung der Energie und'Oder der Energiedichte des Elektronenstrahls programmiert gesteuert wird, um eine .lurch das Steuerprogramm

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vorgegebene Wachstumsgeschwindigkeit und Struktur der aufgedampften Schicht zu erzielen.

Die Energiedichte des Elektronenstrahls kann dabei an einer Elektronenstrahlkanone durch mehr oder weniger starke Bündelung bzw. die Gesamtenergie durch Änderung der Anodenspannung, d.h. durch Änderung der Elektronengescnwindigkeit beeinflußt werden. Dies wird in vorteilhafter Weise durch ein auf die Elektronenstrahlkanone einwirkendes Steuergerät erreicht, wobei das Programm mit einer Frequenz qrößer 1 Hz, vorzugsweise mit einer Frequenz größer 150Hz bis zu mehreren kHz geändert wird.

Da auch eine unbeabsichtigte Änderung der Dampfdichte durch Verschlechterung des Vakuums in der Bedampfungsanlage sowie durch andere Störgrößen möglich ist, wird außerdem vorgeschlagen, die Dampfdichte trägheitslos mit einer Sonde zu messen, welche zwischen dem Verdampfer und dem zu verdampfenden Träger in den Metalldampf hineinragt und mit einem Regler verbunden h>t; die Sonde führt beim Anlegen einer Gleichspannung einen der Dampfdichte proportionalen Strom und ist mit einem Regler verbunden, der bei unerwünschten Änderungen der Dampfdichte ebenfalls auf die Energie und/ oder Energiedichte des Elektronenstrahls einwirkt und diese Änderungen ausregelt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Vakuumbedampfungseinricht.ung mit einem elektronenstrahlbeheizten Verdampfer und eine die Energiedichte des Elektronenstrahls beeinflussende Steuer- und Regeleinrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm über den zeitlichen Verlauf der Heizleistung der Elektronenkanone und der Dampfstrahldichte zur Herstellung einer dünnen Schicht mit großen inneren Spannungen,

Fig. 3 die Kristallstruktur einer mit konstanter Dampf dichte auf einen Träger aufgedampften Metallschicht mit zunehmender Kristallitgröße,

Fig. 4 die Kristallstruktur einer mit gesteuerter Dampfdichte aufgedampften Schicht mit gleichbleibender Kristallitgröße.

Die in Fig. 1 dargestellte Vakuumbedampf ungseinrichtung besteht aus einem Behälter 10, in dessen unterem Bereich ein Tiegel 11 angeordnet ist, in dem sich ein zu verdampfendes Metall 12 befindet. Im oberen Bereich des Behälters 10 ist ein Körper 13 befestigt, dessen Unterseite mit einem Metallbelag 14 zu bedampfen ist. Das zu verdampfende Metall 12 wird durch den Elektronenstrahl 15 einer Elektronenkanone 16 aufgeheizt. Dabei dringt der Elektronenstrahl 15 im Bereich von einigen mm^! nur wenige μηι in das zu verdampfende Metall 12 ein, so daß die gesamte Elektronenstrahlenergie in einem Metallbad 17 von weniger als 0,1 mm' in Wärme umgesetzt wird.

Die Grundleistung für die Heizenergie wird der Elektronenkanone 16 als Gleichstromenergie von einem Hochspannungsaggregat 18 über ein Koppelglied 19 zugeführt. Der Grundleistung wird im Koppelglied 19 eine Steuerleistung überlagert, die durch ein Steuergerät 20 nach einem ihm eingegebenen Programm teändert wird. Die Steuerleistung wird einer mit den. teuergerät 20 verbundenen elektrischen Energie-Juelle 21 entnommen. Zwischen dem Tiegel Il und em zu bedampfenden Körper 13 ist eine Sonde angeordnet, die eine Gleichspannung führt und in den von 4er Oberfläche des Bades 17 ausgehenden Metalldampf 23 hineinragt. Da der Elektronenstrahl 15 den Metalldampf 23 teilweise durchdringt, wird dieser ionisiert. Dadurch werden Ladungsträger freigesetzt, welche von der Sonde 22 aufgenommen werden. Es hat sich gezeigt, daß die Sonde 22 dabei zumindest in einem ausreichend großen Meßbereich einen der Dampfdichte annähernd proportionalen Strom führt. Der Ionisationsstrom und damit die Dichte des Dampfes 23 wird folglich durch ein in den Sondenstromkreis eingeschaltetes Strommeßgerät 24 unmittelbar überwacht. Unerwünschte Dampfdichteschwankungen, die z.B. durch Spannungsschwankungen im Netz, Verschlechterung des Vakuums oder andere Störgrößen auftreten können, werden am Meßgerät 24 angezeigt und durch einen Regler 25 ausgeglichen, dem der Sondenstrom als Istwert zugeführt wird. Der Regler 25 ist in die Verbindungsleitung 26 zwischen dem Koppelglied 19 und dem Steuergerät 20 eingeschaltet. Er erhält damit vom Steuergerät 20 den aus der programmierten Steuerlei-

ao stung sich ergebenden Sollwert der Dampfdichte.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Ablauf der Heizleistung N_H und der Dampfdichie D_d in einer Vakuumbedampf ungsanlage nach Fig. 1 gemäß einem in das Steuergerät 20 eingegebenen Programm.

Nach diesem Programm soll auf den Träger 13 eine Palladiumschicht mit hohen inneren Spannungen aufgedampft werden, die nach dem Erkalten aufreißt. Aufgerissene Metallschichten lassen sich z.B. als Katalysatoren u. a. für Elektroden von Brennstoffzellen verwenden, da durch die Risse in der Schicht eine extrem große Oberfläche erzeugt wird. Das Programm sieht eine ständig eingeschaltete Grundleistung N. von z.B. 1,4 kW vor, die der Elektronenkanone 16 aus dem Hochspannungsaggregat 18 zugeführt wird. Dieser Grundleistung N_g wird im Koppelglied 19 eine Steuerleistung /V₁ von etwa 0,8 kW überlagert, die das Steuergerät 20 mit einer Frequenz von 1 kHz ein- und ausschaltet. Eine Schaltperiode T beträgt daher 10"^λ sec. Einschalt- und Ausschaltdaueir sind gleich groß.

Die programmierte Änderung der Energiedichte des Elektronenstrahls 15 erzeugt einen Palladiumdampf 23, dessen Diche D_ä sich ebenfalls mit einer Frequenz von 1 kHz ändert. Sie wird durch die Sonde 22 gemessen, deren Strom der Dampfdichte in dem

Bereich der hier auftretenden Dampfdichteschwankungen annähernd proportional ist. Die Dampfdichte D_d kann daher am Strommeßgerät 24 abgelesen oder von ihm aufgezeichnet werden. Durch die hochfrequenten Änderungen der Dampfdichte D_d um etwa

40% wird auf dem Träger 13 eine Palladiumschicht niedergeschlagen, deren Kristallite und Wachstumsgeschwindigkeit je nach der augenblicklichen Dampfdichte größer oder kleiner sind. Es entsteht auf diese Weise auf dem Träger 13 eine Metallschicht 14 mit

über die Schichtdicke stark schwankender Kristallitgröße. Die dadurch in der aufgedampften Schicht 14 verursachten inneren mechanischen Spannungen werden nach dem Aufdampfen beim Erkalten der Schicht 14 so groß, daß ihr Kristallgefuge aufreißt.

Während der Bedampfung wird von der Sonde 22 der Istwert der Dampf dichte gemessen und im Regler 25 mit dem Sollwert verglichen, der sich aus dem in das Steuergerät 20 eingegebenen Programm der Elektronenstrahlheizung ergibt, so daß der Regler 25

lediglich durch Störgrößen verursachte Änderungen und nicht die programmierten Änderungen der Dampfdichte ausregelt. Die Dicke der aufgedampften Schicht hangt von der Bedampfungszeit ab; sie kann

sowohl durch das Steuergerät 20, durch einen besonderen Zeitschalter für die Elektronenkanone 16 oder durch Schließen von im Metalldampf 23 angeordneten Blenden begrenzt werden.

Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung sei erwähnt, daß sich Schichten mit inneren Spannungen nicht nur auf einzelne Tragkörper, sondern auch auf fortlaufende Bänder aufdampfen lassen, wobei die Schichtdicke bevorzugt durch die Bandgeschwindigkeit beeinflußt wird.

Zur Erzielung einer besseren Haftfestigkeit der aufgedampften Schicht auf ihren Träger, z. B. bei Reflektoren von Scheinwerfern u.dgl., ist es erwünscht, Spannungen in der Schicht zu vermeiden. Derartige Schichten lassen sich jedoch mit einer konstanten Dampfdichte nicht herstellen. Es ist vielmehr bekannt, daß eine mit konstanter Dampfdichte auf einen in F i g. 3 dargestellten Träger 30 aufgedampfte Schicht 31 durch die dabei freiwerdende Kondensationswärme den Träger 30 zunehmend erhitzt und daß die dadurch verursachte zunehmende Beweglichkeit der Metallatome auf der Trägeroberfläche zunächst zur Bildung kleiner und mit zunehmender Schichtdicke größerer Kristallite 32 führt, die beim Erkalten innere Spannungen verursachen. Die Kristallitgröße hängt dabei von der Keünbildungshäufigkeit ab, die bei konstanter Dampfdiehte auf Grund der mit steigender Temperatur größer werdenden Atombeweglichkeit abnimmt.

Schichten ohne innere Spannungen können jedoch in Anwendung der Erfindung durch eine programmierte Änderung der Elektronenstrahlheizung hergestellt werden, indem die Dampfdiehte mit zunehmender Bedampfungsdauer so weit erhöht wird, daß die Keimbildungshäufigkeit der auf den in Fig. 4 gezeigten Träger 40 aufgedampften Schicht 41 annähernd gleich bleibt, so daß die Kristallite 42 über die gesamte Schichtdicke etwa gleich groß sind. Hier wird also eine bei steigender Temperatur der Schicht im Normalfall abnehmende Keimbildungshäufigkeit durch die programmgesteuerte Erhöhung der Dampfdiehte konstant gehalten. Beim Erkalten der Schicht 41 treten in ihr keine Spannungen auf.

ίο Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt alle Möglichkeiten zur Erzielung bestimmter Wachstumsgeschwindigkeiten und Strukturen von aufgedampften Schichten durch programmierte Änderung der Energie bzw. Energiedichte des zur Verdampfung verwendeten Elektronenstrahls. In diesem Rahmen ist es auch möglich, in einer Bedampfungsvorrichtung mit z.B. zwei Tiegeln mit verschiedenen Materialien eine Schicht auf einen Träger aufzudampfen, die vorwiegend aus einem Material besteht, das mit gleichbleibender Dampfdiehte aus dem einen Tiegel verdampft und diese Schicht mit einem anderen aus dem zweiten Tiegel verdampfenden Material nach einem die Energie des entsprechenden Elektronenstrahls steuernden

»5 Programm zu dotieren. Eine trägheitslose Dampfdichtesteuerung durch die Elektronenstrahlheizung ist einerseits durch die programmierte Änderung der Steuerspannung einer Fokussierungselektrode zut mehr oder weniger starken Bündelung des Elektro-

nenstrahls und andererseits durch entsprechende Änderung einer Steuerspannung am Wehnelt-Zylindei oder der Anodenspannung der Elektronenkanone zur Beeinflussung der gesamten Heizenergie mög Hch.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

QQA

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufdampfen dünner Schichten von Metallen oder Metallverbindungen auf einen Träger im Vakuum mit Hilfe einer Elektronenstrahlkanone, bei dem die Heizleistung der Elektronenstrahlkanone entsprechend einem vorgegebenen Wert eingestellt und gegebenenfalls durch Messung der Dampfdichte nachgeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfdichte während des Bedampfungsvorganges durch Änderung der Energie und/oder der Energiedichte des Elektronenstrahls programmiert gesteuert wird, um eine durch das Steuerprogramm vorgegebene Wachstumsgeschwindigkeit und Struktur der aufzudampfenden Schicht zu erzielen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm mit einer Frequenz größer 1 Hz geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlkanone (16) eine Grundleistung (N_G) mit einer überlagerten, vom Steuergerät (20) veränderbaren Steuerleistung (Nj) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Elektronenstrahls (15) durch Änderung der Anodenspannung der Elektronenstrahlkanone (16) gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte des Elektronenstrahls (15) durch Änderung der Steuerspannung einer Fokussierungselektrode gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfdichte gemessen wird, um die Energie und/oder die Energiedichte des Elektronenstrahls (15) zu regeln.

7. Bedampfungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (25) in der Verbindungsleitung (26) zwischen der Elektronenstrahlkanone (16) und einem Steuergerät (20) angeordnet ist.

8. Bedampfungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdampfer (11) und dem zu bedampfenden Träger (13) eine in den Metalldampf (23) hineinragende, mit dem Regler (25) verbundene Sonde (22) angeordnet ist, die beim Anlegen einer Gleichspannung einen der Dampfdichte proportionalen Strom führt.