DE19539961C1

DE19539961C1 - Verfahren zum thermischen Verdampfen von elektrisch leitfähigen Materialien

Info

Publication number: DE19539961C1
Application number: DE19539961A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Goetz
Original assignee: Sintec Keramik GmbH
Current assignee: Sintec Keramik GmbH
Priority date: 1995-01-14
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2015-10-28

Description

Die heute bekannten und industriell genutzten thermischen Aufdampfquellen bestehen meist aus widerstandsbeheizten Verdampferschiffchen. Diese sind in der Regel aus Refraktärmetallen bzw Refraktärmetallverbindungen, Kohlestäbe oder intermetallischen Verbindungen wie Titanborid, Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid aufgebaut. Letztere werden wegen ihrer chemischen Beständigkeit gegenüber Aluminium bei Temperaturen um 1800 K, vor allen Dingen zum kontinuierlichen Verdampfen von Aluminium im Vakuum eingesetzt.

Wegen dieser bekanntermaßen hohen chemischen Beständigkeit ersetzen solche keramische Verdampferschiffchen mehr und mehr jene Verdampferquellen aus Kohlenstoff bzw. Graphit und Refraktärmetallen bzw. deren Verbindungen. Speziell im Bereich der Flashbedampfung - hier wird nicht kontinuierlich das Material nachgeführt, sondern jeweils nur eine vorgegebene Menge auf den Verdampfer aufgelegt und verdampft - verdrängen die intermetallischen Verbindungen die Refraktärmetalle wegen der hohen Wirtschaftlichkeit. So werden mit Wolframwendeln typisch 10 Zyklen erreicht, hingegen mit den intermetallischen Verbindungen 400 Zyklen und mehr.

In der Patentschrift DD-PS 92 167 vom 24.09.71 wird eine Einrichtung zur Erzielung konstanter Verdampfungsraten bei widerstandsbeheizten Verdampferquellen beschrieben. Diese Patentschrift geht davon aus, daß direkt bzw. indirekt (Optokoppler) eine Temperaturerfassung der Verdampfungsquelle erfolgt und durch entsprechende elektrisch oder elektronische Regeleinheiten eine vorgegebene Temperatur konstant gehalten wird, wodurch natürlich eine konstante Abdampfleistung erreicht wird. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß dieses Verfahren nicht tauglich ist, da bei optischer Temperaturmessung das Schauglas bzw jede Fotodiode ebenfalls bedampft wird, womit ein extrem starkes Abdriften des Meßwertes vorliegt. Bei einer Messung durch Thermoelemente kann diese nur punktuell erfolgen, was wiederum nicht den tatsächlichen Zustand des Verdampfungssystems erfaßt, es sei denn, man führt eine multiple punktuelle Messung durch, was wiederum wirtschaftlich und technologisch in den meisten Fällen nicht gerechtfertigt ist. Hinzuweisen ist, daß bei der punktuellen Messung der Temperatur des Verdampfers niemals ein reproduzierbarer Wert erhalten wird, da im Zustand des Benetzens über das flüssige Aluminium ein Parallelwiderstand aufgebaut wird, welcher im Bereich der Benetzung den Widerstand des Verdampfungssystemes um Faktoren verändert, wodurch sich die Glühzonen immer auf den trockenen Bereich der Verdampfer hin konzentriert. Inhalt dieser Erfindung ist es, eine andere Hilfsgröße als die Temperatur zur Regelung zu finden.

Die Patentschrift DD-PS 2 99 902 vom 30.10.92 beschäftigt sich mit Hohlkathoden als Verdampfungsquellen und einer Regeleinheit, welche den Verdampfungsstrom selbst als Regelgröße verwendet. Speziell beim Betreiben eines Plasmabogens ist natürlich der Plasmastrom direktproportional der Verdampfungsmenge, womit natürlich eine proportionale Regelgröße vorhanden ist. In diesem Fall geht es lediglich darum, den Verdampfungsstrom konstant zu halten und somit eine wirtschaftliche Entlastung des Bedienungspersonals zu erreichen. Der Erfindung liegt keinerlei Zeitkomponente zugrunde und ist in dieser Art für die in dieser Erfindung beschriebenen widerstandsbeheizten Verdampfungsquellen nicht an wendbar. Diese Erfindung konzentriert sich auf eine Flashverdampfung und keine kontinuierliche Bedampfung. Der Strom, welcher nach dieser Erfindung als Regelgröße gemessen wird, ist nicht konstant, sondern wird über die Zeitanalyse nach Abschluß des Verdampfungsvorganges indirekt beeinflußt.

Ähnlich ist der erfinderische Gedanke, der der Patentschrift US-PS 5 221 349 vom 22.06.93 zugrundeliegt. In diesem Patent ist eine Bogenentladung beschrieben, wobei der Entladungsstrom mit der Zeit gemessen und als Regelgröße verwendet wird. Durch Erfassung von Strom und Zeit kann die Gesamtmenge des mittels Bogenentladung verdampften Materials charakterisiert werden und somit die Prozeßdauer kontrolliert werden.

Patent DE-PS 43 08 616 vom 18.03.93 beschreibt das Verdampfen von Aluminium aus Wolframwendeln. Das Problem bei der Verwendung von keramischen Verdampfern liegt in erster Linie gegenüber Wolframwendeln darin, daß eine mehr oder weniger gerichtete Abdampfung stattfindet. Wolframwendeln benetzen allseitig, weshalb auch eine allseitige Verdampfung des Metalles stattfindet. Das beschriebene Verfahren eignet sich vor allen Dingen für eine räumliche Verdampfung, weniger jedoch für eine gerichtete Bedampfung, da bezüglich der Ausbeute des zu verdampfenden Metalles nur sphärisch ein gewisser Kegel als Nutzungsfläche in Betracht gezogen werden kann. Bei dieser sphärischen Verdampfung wie im Patent charakterisiert, ist es auch unmaßgeblich, mit welcher Temperatur das Metall verdampft wird, da in jedem Fall eine quasi kugelförmige Verdampfungscharakteristik sich einstellen wird. Aus diesem Grunde wird auch nur der Abschaltpunkt als Regelkriterium charakterisiert. Der Einfluß der temperaturabhängigen Beschichtungsqualität ist dabei nicht berücksichtigt und auch nicht zu berücksichtigen.

Im Gegensatz dazu liegt dieser Erfindung nun die Absicht zugrunde, ein Verfahren, welches, geometrisch bedingt eine Vorzugsrichtung des Verdampfungskegels aufweist, durch entsprechende Prozeßführung derart zu optimieren, daß ein definierter Abdampfkegel reproduzierbar garantiert werden kann und somit eine Optimierung der Bedampfung bezüglich Gleichmäßigkeit der Schichtstärke auf dem Substrat erfolgt. Diese Forderung, welche z. B. beim Bedampfen der leitfähigen Schicht auf Fernsehröhren gegeben ist, wo aus einer oder mehreren meist parallel geschalteten Verdampferquellen Aluminium abgedampft wird, führt zu nachfolgender Aufgabenlösung:

Durch Analyse der Stromkurve in Abhängigkeit der vorgegebenen Gesamtzeit wird die Konstantspannung so dimensioniert, daß trotz Änderung des elektrischen instabilen Systems immer die gleiche vorab definierte Abdampfkeule entsteht und somit die Reproduzierbarkeit mit optimierter Beschichtungsqualität gewährleistet wird. Neben dem qualitativen Vorteil der Beschichtung steht die Lebensdauer der Verdampfer im Vordergrund. Wie in anderen Patenten bereits beschrieben, ist die Lebensdauer der Verdampfer in der Regel sehr stark temperaturabhängig. Beim Betreiben solcher Verdampfer wird derart verfahren, daß die Verdampfer mit einer bestimmten vom Anlagenbetreiber empirisch ermittelten Spannung auf Verdampfungstemperatur im direkten Stromdurchgang erhitzt werden und mittels eines Timers nach einer konstant vorgegebenen Zeit automatisch abgeschaltet werden. Wesentlich ist nun, daß sich der elektrische Widerstand des Verdampfers über die Lebensdauer verändert und zwar zum niederohmigeren Verfahren. In der Praxis wird also eine Spannung U1 für einen neuen Verdampfer eingestellt, welche hoch genug ist, um nach der konstant vorgegebenen Zeit sämtliches Aluminium zu verdampfen. Vergleicht man nun die Leistung, welche sich aus dem Produkt Spannung und Strom ergibt eines neuen Verdampfers mit der eines alten und beachtet man, daß der Anlagenbetreiber die einmal vorgegebene Spannung beim neuen Schiffchen nicht mehr ändert, ergibt sich die Notwendigkeit, daß durch das immer niederohmigere Verfahren nach und nach immer höhere Ströme fließen, was zu einer höheren Leistungsaufnahme wegen der konstant vorgegebenen und unveränderten Spannung führt und somit zu einer höheren Abdampftemperatur.

Nachdem sich diese Erfindung auf keramische Verdampfer dergestalt rechteckiger Stäbe mit einem typischen Querschnitt von 4×6 mm und einer Länge von ca. 100 mm bezieht, ist der Einfluß der Temperatur im Gegensatz zu anderen Verdampfungssystemen von allergrößter Bedeutung. Ungeachtet der Tatsache, ob eine nutenförmige Vertiefung im Verdampfer eingefräst ist oder nicht, wird das Metall in Abhängigkeit der Abdampftemperatur mehr oder weniger gerichtet verdampft. Weiter bewirkt jede Temperaturänderung auch einen Unterschied in der Abdampfgeschwindigkeit sowie in der Ausbeute (verdampfte Aluminiummenge zu bedampfter Menge am Substrat), was zwangsweise zu völlig unterschiedlichen Bedampfungsqualitäten führt. Die Unterschiede sind in punkto Bedampfungsstärke und Homogenität zu beobachten.

Im Falle vom Bedampfen von Bildschirmröhren ist folgende Beobachtung zu machen:

Der Kunde verdampft Aluminium bei einer vorgegebenen Spannung von z. B. 8,5 V. Bei einem neuen Verdampfer mit einem spezifischen Widerstand von z. B. 450 µ Ê cm (Raumtemperatur) ergibt sich daraus eine Stromstärke von ca. 160 A entsprechend einer Leistung von 1360 W. Dies wiederum entspricht einer Temperatur um 1470°C. Bei dieser Temperatur wird das Aluminium, welches auf dem Verdampfer chargiert ist, nach ca. 15 Sekunden Betriebsdauer den Verdampfer benetzen und somit einen Parallelwiderstand bilden. Dieser bewirkt einen Anstieg der Stromstärke über die Dauer von 15 Sekunden auf ca. 230 A entsprechend einer Leistung von 1955 W. Bei dieser Leistung kann die chargierte Menge von Aluminium nach einer gesamten Zyklusdauer von ca. 35 Sekunden verdampft werden, so daß eine Nach heizzeit von 5 Sekunden bis zum Abschaltpunkt nach 40 Sekunden gegeben ist. Die Beschichtung des Substrates ist in diesem Fall mit einer Homogenität von besser 10 % festzustellen.

Beobachtet man den selben Vorgang bei einem gealterten Verdampferschiffchen, bei welchem der elektrische Widerstand nur etwa halb so hoch ist wie beim neuen Schiffchen, so ist die Homogenität der bedampften Schicht etwa ± 25% unter der Maßgabe, daß trotz verändertem elektrischen Widerstand mit derselben Spannung gearbeitet wird. In diesem Fall bedeutet dies Ausschuß für die Fernsehbildschirmröhre.

Beispiel

Zunächst wurde der Grundgedanke manuell wie folgt simuliert:

Es wurden jeweils zwei neue Verdampferschiffchen mit einem elektrischen, spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von 475 µ Ê cm in 2 Produktions anlagen eingebaut.

In Fig. 1 ist auf der Ordinate der Verdampferstrom (J) aufgezeichnet und auf der Abszisse die Verdampfungsdauer (t). Zunächst wird über 20 Sekunden (t₁) mit einer Spannung von 4 V der Verdampfer auf eine Temperatur um 600°C aufgeheizt, so daß bezogen auf den keramischen Verdampfer kein zu hoher Temperaturschock erzwungen wird. Wie zu erkennen ist, fällt der Strom während dieser Zeit (t₁) in Abhängigkeit des Temperaturanstieges aufgrund des positiven elektrischen Temperaturkoeffizienten.

Nach 20 Sekunden wird automatisch die Hauptspannung von z. B. 8,5 V angelegt. Entsprechend steigt die Stromstärke auf einen höheren Wert, welcher sich wiederum bedingt durch den positiven Temperaturkoeffizienten reduziert, bis nach der Aufheizzeit t₃ das Aluminium schmilzt und während der Zeit t₄ das Verdampferschiffchen benetzt. Nach der vollständigen Benetzung, welche sich durch den maximalen Strompeak zeigt, erfolgt die Verdampfung über die Dauer t₅. Mit fortgeschrittener Verdampfung reduziert sich wiederum der anteilige Parallelwiderstand durch das flüssige Aluminium, so daß sich nach der Zeit t₃ + t₄ + t₅ der trockene Verdampferwiderstand einstellt. Diese konstante Stromstärke bleibt nun bis zum Ende des Zyklus von insgesamt 20 + 40 Sekunden bestehen und soll per Definition dieser Erfindung als Regelgröße dienen und nicht länger als 10 Sekunden dauern.

1. Flash

2. Flash

Bis zum 10. Flash wurde Anlage A mit unveränderten Parametern betrieben, Anlage B wurde kontinuierlich spannungsseitig entsprechend der sich ständig ändernden Trockenphase zu längeren Zeiten hin reduziert, so daß die Trockenphase selbst niemals länger als 10 Sekunden war.

10. Flash

100. Flash

200. Flash

300. Flash

Letzter Flash

Anlage A 382.

Anlage B 971.

Diese Versuchsreihe zeigt, daß durch entsprechende Regelung der Spannung, wobei als Regelgröße die Zeit für die Trockenphase t₈ genommen wurde, sowohl die Qualität der Bedampfung wie auch die Lebensdauer der keramischen Verdampferschiffchen entscheidend beeinflußt werden kann. Spätere Versuche mittels elektrischer Schaltung haben diese Effekte auch bei dem Einsatz von elektronischen Regeleinheiten bestätigt.

Claims

1. Verfahren zum thermischen Verdampfen von elektrisch leitfähigen Materialien, bei dem bei vorgegebener Zyklusdauer der Strom zeitabhängig gemessen wird, um in Abhängigkeit von der bereits verdampften Material menge den aktuellen Betriebszustand zu ermitteln und die Dauer zwischen vorgebener Zyklusdauer und Verdampfungsende zu bestimmen, und als Regelgröße verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein widerstands beheizter, keramischer Verdampfer, bei dem das Material in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Verdampfer während des Abdampfzyklus steht, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdampfer und dem Material eine Trennschicht aus hochschmelzenden Metallen und/oder deren Verbindungen angeordnet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch isolierende Trennschicht eingesetzt und mittels einer Hilfsquelle die elektrische Leitfähigkeit des Verdampfungsbades parallel zum elektrischen Widerstand des beheizten Verdampfer gemessen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus den zeitabhängigen elektrischen Meßwerten und den Werten aus einem zusätzlichen Meßsystem in Abhängigkeit von der Länge der Nachheizphase die Qualität der Metallisierung korreliert und mittels einer intelligenten Software das Verdampfungssystem bezüglich der Abdampfcharakteristik bei verringerter Strahlungsbelastung und der Lebensdauer der Verdampferquelle selbst optimiert wird.