DE69002812T2

DE69002812T2 - Infrarot-Fenster.

Info

Publication number: DE69002812T2
Application number: DE90311534T
Authority: DE
Inventors: Richard Stuart Adams; Juraj Babjak; Victor Alexander Ettel; Vladimir Paserin
Original assignee: Vale Canada Ltd
Current assignee: Vale Canada Ltd
Priority date: 1989-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2010-10-20
Also published as: FI905152A0; NO303231B1; US5145716A; JPH0765175B2; JPH03134171A; CA2001009A1; CA2001009C; FI93554C; EP0424183A1; NO904512L; NO904512D0; FI93554B; EP0424183B1; DE69002812D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Metallplattieren eines Substrats und ein Verfahren zum Zersetzen von Karbonylgas auf einem Träger.

Technologischer Hintergrund und Aufgabe

Das chemische Niederschlagen von Dämpfen durch thermische Zersetzung eines Metallkarbonyls stellt seit langem ein bekanntes Verfahren zum Metallisieren von Trägern dar. Dabei wird ein in einer das Metallkarbonylgas enthaltenden Kammer befindliches Substrat auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Metallkarbonylgases erwärmt. Das Metallkarbonylgas zersetzt sich und überzieht das Substrat mit einer Metallschicht, beispielsweise einer Nickelschicht aus zersetztem Nickelkarbonylgas. Zu den Metallen, die sich aus metallischen Karbonylverbindungen niederschlagen lassen, gehören Nickel, Eisen, Chrom, Molybdäm, Wolfram, Kobalt, Tellur und Rhenium.
Unter den Verfahren zum Erwärmen eines Substrats in einer chemischen Bedampfungskammer sind das Induktions-, Widerstands- und Infraroterwärmen zu nennen. Ein Infraroterwärmen ist erforderlich, wenn das Substrat nicht elektrisch leitfähig ist wie beispielsweise Polyurethan. Dabei wird die Infrarotstrahlung zum Erwärmen des Substrats durch infrarot-durchlässige Fenster in die Kammer gerichtet. Vorzugsweise wird dabei das Substrat selektiv mittels der Infrarotstrahlung innerhalb der Kammer erwärmt und nicht das Metallkarbonylgas oder das infrarot-durchlässige Fenster. Wird das Metallkarbonylgas über seine Zersetzungstemperatur erwärmt, dann zersetzt es sich spontan. In ähnlicher Weise zersetzt sich, wenn das infrarot-durchlässige Fenster über die Zersetzungstemperatur des Metallkarbonylgases erwärmt wird, die gasförmige Verbindung auf dem infrarot-durchlässigen Fenster. Diese Erscheinung ist unter der Bezeichnung "Beschlagen" des Fensters bekannt. Dieses Beschlagen des Fensters führt zu einer Unterbrechung des Karbonylbedampfens am Substrat, weil die Strahlung die beschlagenen Fenster nicht wirksam zu durchdringen vermag. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Fenster ausgebaut, gereinigt und wieder montiert werden.
Ein Grund für dieses Problem besteht darin, daß infrarot- durchlässige Fenster aus Werkstoffen wie Borsilikatglas, klargeschmolzenem Quarz, Polyäthylen, Terephthalat, Polytetrafluoräthylen und Polytetrafluoräthylenpropylen bestehen und nicht völlig infrarot-durchlässig sind. Demzufolge werden infrarot-durchlässige Fenster durch Absorption der Infrarotstrahlung ebenfalls erwärmt und können dabei Temperaturen erreichen, bei denen eine Zersetzung des Metallkarbonylgases stattfindet. Das Metallkarbonylgas zersetzt sich dann auf den überhitzten Fenstern und führt zu deren Beschlagen. Wenn es so erst zu einem Beschlagen gekommen ist, dann beschleunigt sich der Zersetzungsprozeß immer mehr. Das Beschlagen beschleunigt sich, weil das Metall aus dem Karbonylgas ebenfalls nicht völlig infrarot-durchlässig ist und zu einem verstärkten Infraroterwärmen der Fenster fuhrt.
Jenkin beschreibt in der US-Patentschrift 3 213 827 eine Luftkühlung für infrarot-durchlässige Kammerwandungen. Infolge des geringen Wirkungsgrades einer Luftkühlung dürfte der Vorschlag von Jenkin für ein wirksames Verhindern des Beschlagens nicht ausreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Beschlagen von infrarot-durchlässigen Fenstern von Karbonyl-Zersetzungskammern wirksam zu unterbinden.
Des weiteren sollte die wirksame Unterdrückung des Beschlagens mit einer minimalen Einbuße an Wirtschaftlichkeit verbunden sein.
Die europäische Offenlegungsschrift 0 135 308 beschreibt ein Verfahren zum Erwärmen von Halbleiterplättchen in einem Bedampfungssystem mittels einer auf die Plättchen gerichteten Strahlung einer Strahlenquelle. Die Strahlenquelle befindet sich außerhalb der Bedampfungskammer, und die Strahlen passieren ein wassergekühltes Fenster der Kammer.
Die US-Patentschrift 4 759 950 beschreibt ein Verfahren zum Niederschlagen von Nickel auf einem Faden durch Zusetzen von Nickelkarbonyl auf dem Faden.

Die Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Metallisieren eines Substrats und eine Vorrichtung zum Zersetzen eines Metallkarbonylgases auf dem Substrat; sie ist in den beiliegenden Patentansprüchen umschrieben.

Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 gibt einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung wieder und veranschaulicht Kühldurchlässe durch infrarot-durchlässige Fenster;
Figur 2 zeigt die Abhängigkeit der Temperatur von der Zeit beim Infrarot-Erwärmen von Polyurethan-Schaum im Vergleich verschiedener infrarot-durchlässiger Flüssigkeiten unter Verwendung infrarot-durchlässiger Scheiben mit einem gegenseitigen Abstand von 4 mm und
Figur 3 die Abhängigkeit der Temperatur von der Zeit beim Infrarot-Erwärmen von Polyurethan-Schaum im Vergleich verschiedener infrarot-durchlässiger Flüssigkeiten unter Verwendung infrarot-durchlässiger Scheiben mit einem gegenseitigen Abstand von 5 mm.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispeils

Nach Figur 1 besteht die vorrichtung 10 aus einer Kammer 12 mit einem Kammereinlaß 14 und einem Auslaß 16. Metallkarbonylgas gelangt in die Kammer 12; es wird dort beim Erwärmen eines Substrats 18 zersetzt und metallisiert das Substrat. Das Abgas verläßt die Kammer durch den Auslaß 16. Das Substrat 18 beispielsweise aus Polyurethan- Schaum, einem Fasergewirr oder einem Gewebe aus Glas-, Kohlenstoff- oder Polymerfasern wird kontinuierlich durch die Kammer 12 geführt, in die es durch einen Substrateinlaß 20 gelangt und die es über einen Substratauslaß 22 (in dem dargestellten Ausführungsbeispeil der Erfindung) verläßt. Alternativ läßt sich die Erfindung jedoch auch bei chargenweisem Betrieb verwirklichen.
Das Substrat wird mittels der Infrarot-Quellen 24 und 32 erwärmt. Die Infrarot-Quelle 24 liefert Strahlen durch ein infrarot-durchlässiges Fenster 25, das aus einer Außenscheibe 26, einer Innenscheibe 30 und einem Kühlmitteldurchlaß 28 besteht. In ähnlicher Weise liefert die Infrarot-Quelle 26 Strahlen durch das infrarot-durchlässige Fenster 33, das aus einer Außenscheibe 34, einem Kühlmitteldurchlaß 36 und einer Innenscheibe 38 besteht. Vorzugsweise bestehen die Scheiben 26, 30, 34 und 38 aus stabilem Glas oder einem steifen Kunststoff. Zu den geeigneten Fensterwerkstoffen gehören beispielsweise unter dem Warenzeichen "PYREX" oder "VYCOR" bekannte Gläser, Quarz und steife Kunststoffe mit einer hohen Infrarot- Durchlässigkeit sowie einem Erweichungspunkt von etwa 150ºC oder mehr.
Die Kühldurchlässe 28, 36 entsprechen vorzugsweise dem Raum zwischen den Scheiben 26, 30 und den Scheiben 34, 38. Die Kühldurchlässe 28, 36 können jedoch je nach der Fensterkonstruktion auch andere Formen annehmen. Eine Kühlflüssigkeit 40 kühlt die Scheiben 30, 34, um ein Zersetzen des Metallkarbonylgases auf diesen Scheiben zu verhindern. Als Kühlmittel kommen alle Flüssigkeiten in Frage, die sich zum Kühlen durchsichtiger Fenster eignen und ein ausreichendes Durchlassen der Infrarotstrahlen in eine Kammer zum Erwärmen eines Substrats mindestens auf die Zersetzungstemperatur eines Metallkarbonylgases in der Kammer erlauben. Die Kühlflüssigkeit 40 ist im wesentlichen infrarot-durchlässig, um die Infrarotstrahlung durch das betreffende Fenster und den Kühlmitteldurchlaß in die Kammer zu ermöglichen.
Wenn sich die Metallverbindungen auf den Scheiben 30, 38 zersetzen, beschlagen diese mit Metall. Dann wird das auf den Scheiben 30, 38 abgeschiedene Metall weiter erwärmt und beschleunigt so das Abscheiden von Metall. Ein Abscheiden von Metall auf dem Substrat ist dann nicht mehr möglich, da das auf den Scheiben 30, 38 abgeschiedene Metall das Infrarot-Erwärmen des Substrats 18 wirksam verhindert. Das Beschlagen der Fenster 25, 33 wird zu einem größeren Problem, wenn die Temperatur des Metallkarbonylgases in der Kammer 12 dessen Zersetzungstemperatur erreicht. Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung unterbinden jedoch wirksam ein Beschlagen der Fenster 25, 33, wenn sich das Metallkarbonylgas in der Nähe seiner Zersetzungstemperatur befindet.
Die Kühlflüssigkeit 40 muß auf einer Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Metallkarbonylgases gehalten werden, um ein wirksames Kühlen der Scheiben 30, 38 zu gewährleisten. Eine Pumpe 42 drückt die Kühlflüssigkeit durch Leitungen 43, 44 in die Kühlmitteldurchlässe 28, 36. Die infrarot-durchlässige Kühlflüssigkeit fließt dann durch die Leitungen 45, 46 in einen Radiator 48. Dieser Radiator dient dazu, die Kühlflüssigkeit 40 auf einer Temperatur zu halten, die ein Beschlagen der Scheiben 30, 38 wirksam unterbindet. Der Radiator 48 kann mittels Luft, Wasser, Eiswasser oder auf andere Weise gekühlt werden.
Der Wahl der Kühlflüssigkeit 40 kommt für den Betrieb der Vorrichtung 10 eine wesentliche Bedeutung zu. Absorbiert das Kühlmittel zu viel Infrarotenergie, wird das Substrat 18 nicht auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt und kommt es nicht zu einer Zersetzung des Karbonylgases. Darüber hinaus verringert eine Absorbtion von Infrarotenergie durch die Kühlflüssigkeit 40 den Wirkungsgrad beim Bedampfen und erhöht die Betriebskosten.
Verschiedene infrarot-durchlässige Flüssigkeiten wurden mit den aus den Diagrammen der Figuren 2, 3 ersichtlichen Ergebnissen untersucht. Bei den Laborversuchen wurden Fenster mit zwei infrarot-durchlässigen Scheiben mit einem gegenseitigen Abstand von 6 mm verwandt, wie sie unter dem Warenzeichen "PYREX" bekannt sind. Der Zwischenraum zwischen den PYREX-Scheiben wurde mit verschiedenen Flüssigkeiten gefüllt. Bei den dem Diagramm der Figur 2 zugrundeliegenden Versuchen wurden 4 mm dicke PYREX- Scheiben und bei den dem Diagramm der Figur 3 zugrundeliegenden Versuchen 5 mm dicke PYREX-Scheiben eingesetzt. Mit Abstand von einer Seite der PYREX-Scheiben und der Testflüssigkeit befand sich eine 140 Volt-440 Watt-Infrarotlampe. Der Glühfaden der Infrarotlampe wurde auf eine Temperatur von 1.980ºC mit einer Spitzenwellenlänge von 1,46 um erwärmt. Mit Abstand auf der gegenüberliegende Seite des Fensters und der Testflüssigkeit befand sich ein Substrat aus Polyurethan-Schaum. Zusammen mit dem Polyurethan-Schaum kam ein Thermoelement zum Messen der Erwärmung des Polyurethan-Schaums zur Verwendung.
Der Transmissionsgrad der Kühlflüssigkeit erhöhte sich von der geringsten zur höchsten Durchlässigkeit in folgender Weise: Wasser, Äthylenglycol, Äthylenglycoldiacetat, Tetrachloräthan und Tetrachloräthylen. Bei den Versuchen zeigte sich, daß Tetrachloräthylen, Tetrachloräthan und Luft eine in etwa gleiche Infrarot-Durchlässigkeit besitzen. Infolge ihrer geringen Dichte handelt es sich bei Luft nicht um ein wirksames Kühlmittel. Tetrachloräthylen und Tetrachloräthan haben sich als wirksame Kühlmittel erwiesen. Tetrachloräthan besitzt eine Wärmekapazität bei 20ºC von etwa 0,904 J/g ºC. Bei dem Kühlmittel sollte es sich um eine Flüssigkeit mit einer ausreichenden Wärmekapazität und einer hohen Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung handeln. Die Wärmekapazität bei 20ºC liegt vorzugsweise über etwa 0,4 J/g ºC und insbesondere über etwa 0,9 J/g ºC. Die Wärmekapazität von Luft ist bei 20ºC etwas größer als die von Tetrachloräthylen bei 20ºC mit einer Wärmekapazität von etwa 1,00 J/g ºC. Jedoch liegt die Dichte von Tetrachloräthylen um drei Größenordnungen über der von Luft. Tetrachloräthylen besitzt bei 20 ºC eine Dichte von etwa 1,623 g/cm³, während die Dichte von Luft bei 20ºC nur etwa 0,00122 g/cm³ beträgt. Die größere Dichte verbessert erheblich den Wärmeübergang und bewirkt, daß die infrarot-durchlässigen Kühlmittel nach der Erfindung einem Kühlen mit Luft überlegen sind. Ein Kühlen mit den erfindungsgemäßen Infrarot-Kühlmitteln erleichtert ein wirksames Unterdrücken des Beschlagens der Fenster.
Gegebenenfalls läßt sich die Bedampfungskammer über ein Ventil mit im wesentlichen reinem Kohlenmonoxyd oder einer Kohlenmonoxyd-Quelle beschicken, wenn es bei der Karbonylzersetzung zu metallischen Niederschlägen auf der Innenseite der Fenster kommt. So wird beispielsweise zum Entfernen eines Nickelniederschlags die Infrarot-Quelle vorübergehend reduziert und füllt Kohlenmonoxyd die Bedampfungskammer. Innerhalb der Kammer wird aufgrund der nachfolgenden Umkehrreaktion Nickel von den Fenstern entfernt:
Ni + 4CO T Ni (CO).
Bei richtiger Anwendung der Erfindung ist es jedoch nicht erforderlich, die vorstehende Umkehrreaktion zu benutzen. Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung vermeiden die Notwendigkeit eines periodischen Reinigens der infrarot-durchlässigen Fenster von mittels Infrarotstrahlung erwärmten Karbonylkammern.

Claims

1. Vorrichtung zum Metallplattieren eines Substrats mit

- einer für ein Einspeisen eines Metallkarbonylgases geeigneten Kammer (12) mit einem einen Kühldurchlaß (28, 36) aufweisenden infrarot-durchlässigen Fenster (25, 33),

- einer Kühlflüssigkeit aus Tetrachloräthan oder Tetrachloräthylen mit einer Betriebstemperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Metallkarbonylgases in dem Kühldurchlaß (28, 36) zum Kühlen des Fensters (25, 33) und zur Verhinderung einer Zersetzung des Metallkarbonylgases auf dem infrarot-durchlässigen Fenster, die im wesentlichen infrarot-durchlässig ist und Infrarotstrahlen durch das infrarot-durchlässige Fenster und den Kühldurchlaß in die Kammer läßt;

- eine Infrarotquelle (24, 32), die Infrarotstrahlen durch das infrarot-durchlässige Fenster (25, 33) in die Kammer (12) sendet, um das Substrat in der Kammer auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der sich das Metallkarbonylgas zersetzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das infrarot-durchlässige Fenster (25, 33) zwei mit Abstand parallel zueinander angeordnete Scheiben (26, 30; 34, 38) besitzt und der Kühldurchlaß (28, 36) aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Scheiben besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit dem Kühldurchlaß (28, 36) verbundene Pumpe (42) zum Einspeisen einer Kühlflüssigkeit in den Kühldurchlaß.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen mit dem Kühldurchlaß (28, 36) verbundenen Radiator (48) zum Kühlen der Kühlflüssigkeit.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Kohlenmonoxid-Zuleitung und ein Ventil, das die Kohlenmonoxid-Zuleitung mit der Kammer (12) verbindet, zum periodischen Entfernen eines Metallniederschlags auf dem infrarot-durchlässigen Fenster (25, 33).

6. Verfahren zum Zersetzen von Metallkarbonylgas auf einem Träger, bei dem

- ein Substrat in eine ein Metallkarbonylgas enthaltende Kammer mit einem infrarot-durchlässigen Fenster gebracht wird, das Infrarotstrahlen zum Erwärmen des Substrats durchläßt und mit einem Kühldurchlaß versehen ist,

- Infrarotstrahlen durch das infrarot-durchlässige Fenster und den Kühldurchlaß des infrarot-durchlässigen Fensters zum Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur gesendet werden, bei der sich das Metallkarbonylgas zersetzt,

- das infrarot-durchlässige Fenster mit einem Kühlmittel aus Tetrachloräthan oder Tetrachloräthylen in dem Kühldurchlaß gekühlt wird, um ein Zersetzen des Karbonylgases auf dem infrarot-durchlässigen Fenster zu vermeiden, das im wesentlichen infrarot-durchlässig ist und Infrarot-Strahlen zum Erwärmen des Substrats durch den Kühldurchlaß hindurchläßt,

- die Kühlflüssigkeit auf einer Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Metallkarbonylgases gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen von Metall auf dem infrarot-durchlässigen Fenster als Metallkarbonylgas im wesentlichen reines Kohlenmonoxid auf das infrarot-durchlässige Fenster gerichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit durch den Kühldurchlaß gepumpt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das infrarot-durchlässige Fenster (25,33) zwei mit Abstand parallel zueinander angeordnete Scheiben (26,30; 34,38) besitzt und der Kühldurchlaß (28,36) aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Scheiben besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein Kühlen der Kühlflüssigkeit mit Hilfe eines Radiators.