DE882174C - Process for the evaporation of substances in a vacuum using electron beams - Google Patents

Description

Verfahren zum Verdampfen von Stoffen im Vakuum mittels Elektronenstrahlen Um Gegenstände oberflächlich mit einer Schicht aus zwei oder mehr Stoffen durch thermische Bedampfung im Vakuum zu versehen, kann es notwendig sein, diese Stoffe aus mehreren Tiegeln heraus gleichzeitig zu verdampfen. Auf diese Art ist es z. B. möglich, Schichten aus metallischen Legierungen herzustellen, indem man jede einzelne Komponente in einem besonderen Tiegel für sich verdampft. Durch Beeinflussung der Intensität der Verdampfung, d. h. der in der Zeiteinheit verdampften Mengen der Komponenten kann man hierbei zu einer bestimmten Zusammensetzung der Legierung gelangen. Dieses Verfahren macht aber bei der Regulierung große Schwierigkeiten, denn die Einstellung muß unter Berücksichtigung der Wärmekapazität der Tiegel bzw. ihrer verschiedenen Inhalte vorgenommen werden, wodurch große Verzögerungen, d. h. lange Regelzeiten entstehen. Man könnte daran :denken, die Erwärmung der zu verdampfenden Stoffe mit Elektronenstrahlen direkt vorzunehmen. Der Vorteil liegt in ihrer schnelleren Einstellbarkeit .gegenüber der elektrischen Tiegelheizung. Dies erfolgt hier ohne die Zwischenwirkung .der Tiegelwände und des Tiegelinhalts unmittelbar von der Oberfläche her, auf die das Elektronenstrahlbündel auftrifft. Zur gleichzeitigen Verdampfung aus mehreren Tiegeln ist aber für jeden Tiegel ein besonderes Elektronenstrahlbündel nötig.Process for the evaporation of substances in a vacuum by means of electron beams To objects superficially with a layer of two or more substances through To provide thermal vapor deposition in a vacuum, it may be necessary to use these substances to evaporate from several crucibles at the same time. In this way it is e.g. B. possible to produce layers of metallic alloys by each individual component evaporated in a special crucible. By influencing the intensity of evaporation, d. H. of the quantities evaporated in the unit of time the components can be used to make a certain composition of the alloy reach. However, this procedure causes great difficulties in regulation, because the setting must take into account the heat capacity of the crucible or their various contents are made, causing large delays, i. H. long control times arise. One could think of it: the heating of the to be evaporated Carry out substances directly with electron beams. The advantage lies in their faster Adjustability compared to the electric crucible heating. This is done here without the interplay of the crucible walls and the contents of the crucible directly from the surface on which the electron beam impinges. For simultaneous evaporation but from several crucibles there is a special electron beam for each crucible necessary.

Dieses Verfahren .zum Verdampfen von zwei oder mehr Stoffen im Vakuum mittels Elektronenstrahlen läßt sich in einfacher Weise durchführen, wenn gemäß der Erfindung nur ein einziges Elektronenstrahlbündel abwechselnd auf .die aus getrennten Tiegeln einzeln zu verdampfenden Stoffe gelenkt wird. Die Beeinflussung der Richtung des Elektronenstrahlbündels geschieht am einfachsten in an sich bekannter Weise durch geeignet gesteuerte elektrische Felder.This process for the evaporation of two or more substances in a vacuum by means of electron beams can be carried out in a simple manner, if according to the invention only a single electron beam alternately on .die is directed from separate crucibles to be evaporated individually. The influencing the direction of the electron beam is most easily done in a manner known per se Way through appropriately controlled electric fields.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß es nicht notwendig ist, .den Stoffen .gleichzeitig die zur Verdampfung erforderliche Wärme zuzuführen. Um auf den zu bedampfenden Gegenständen z. B. eine metallische Legierung abzuscheiden, kann man ein Elektronenstrahlbündel durch elektrische oder magnetische Felder periodisch so ablenken, daß den einzelnen Stoffen in den Tiegeln abwechselnd Wärme zugeführt wird. Wenn der Wechsel der Wärmezuführung schnell genug erfolgt, genügt die Wärmekapazität der Tiegelinhalte, um über die kurze Zeit, in der die Oberfläche vom Elektronenstrahl nicht getroffen und beheizt wird, noch weiteres Material verdampfen zu lassen. Bei genügend raschem Wechsel des Elektronenstrahl-Bündels von einem zum anderen Tiegel werden also alle Stoffe praktisch gleichzeitig verdampft. Bei nicht -so schnellem Wechsel hingegen werden die einzelnen Stoffe nacheinander verdampft und auch nacheinander auf den zu bedampfenden Gegenstand als dünne Schichten abgeschieden. Bestehen diese dünnen Schichten z. B. aus geeigneten Metallen, so tritt durch Diffusion eine Legierungsbildung ein. Sind die imetallischen Komponenten der zu bildenden Legierung jedoch zwar nacheinander erhitzt worden, aber so schnell verdampft, .daß ihr Dampf sich noch vor der Kondensation mischen konnte, so wird auf den zu bedampfenden Gegenstand auch .dieses Dampfgemisch als Legierung abgeschieden. Das Verhältnis der Komponenten, das ist die Zusammensetzung der abgeschiedenen Legierung, kann durch die mehr oder weniger lange Verweildauer des Elektronenstrahlbündels auf den Oberflächen der zu verdampfenden Stoffe eingestellt werden, .denn die Verweildauer bestimmt ja die Menge des verdampften. Stoffs.It has been shown that it is not necessary to add the substances .Simultaneously supply the heat required for evaporation. To get to the objects to be vaporized e.g. B. to deposit a metallic alloy, you can an electron beam by electric or magnetic fields periodically Deflect it in such a way that heat is alternately supplied to the individual substances in the crucibles will. If the change in the heat supply takes place quickly enough, the heat capacity is sufficient the contents of the crucible to over the short time in which the surface of the electron beam is not hit and heated to allow further material to evaporate. at sufficiently rapid change of the electron beam from one crucible to the other so all substances are evaporated practically at the same time. With not-so fast In contrast, the individual substances are vaporized one after the other and one after the other deposited on the object to be vaporized as thin layers. Pass this thin layers e.g. B. made of suitable metals, an alloy formation occurs through diffusion a. The imetallic components of the alloy to be formed are, however, one after the other heated, but evaporated so quickly that its vapor was released before condensation could mix, then this steam mixture is also applied to the object to be steamed deposited as an alloy. The ratio of the components, that is the composition the deposited alloy, can be due to the more or less long residence time of the electron beam set on the surfaces of the substances to be evaporated because the length of stay determines the amount of vaporized. Fabric.

Es lassen sich in ähnlicher Weise wie bei der Legierungsbildung Kombinationen von Stoffen, z. B. Isoliermaterialien, * auf Gegenstände aufbringen, deren Abscheidung wegen ihrer verschiedenen physikalischen Eigenschaften im allgemeinen größere Schwierigkeiten machen würde. Die Kombinationen können aus schichtweise aufgebrachten Stoffen, z. B. Metall und Quarz, oder aber aus Mischungen bestehen, z. B. von hoch- und niedrigsiedenden Stoffen, wie Quarz und Schwefel.Combinations can be made in a manner similar to the formation of an alloy of substances, e.g. B. Apply insulation materials, * on objects, their deposition generally greater difficulty because of their different physical properties would do. The combinations can consist of substances applied in layers, e.g. B. metal and quartz, or consist of mixtures, z. B. of high and low boiling points Substances such as quartz and sulfur.

Die Heizung mit Elektronenstrahlen hat bekanntlich den großen Vorzug, daß die Wärmeverluste sehr gering sind, denn die Wärme wird ja nicht erst durch Tiegelwände übertragen, sondern direkt dem Stoff zugeleitet. Es gibt keine Übergangswiderstände und keine nennenswerten Leitungs- und Abstrahlungsverluste durch die Tiegelwände. Während bei der gewöhnlichen Tiegelheizung der Heizkörper selbst immer 'heißer ist als der Tiegel und das zu erw=ärmende Gut, ist es hier umgekehrt. Die Tiegel-wände sind kälter als der zu verdampfende Stoff, und damit ist die Möglichkeit chemischer Reaktion zwischen dem Stoff und den Tiegeiwän.den wesentlich verringert.As is well known, heating with electron beams has the great advantage that the heat losses are very low, because the heat is not just through Transferring the crucible walls, but fed directly to the substance. There are no contact resistances and no significant conduction and radiation losses through the crucible walls. While with the usual crucible heating the radiator itself is always' hotter as the crucible and the goods to be heated, it is here the other way round. The crucible walls are colder than the substance to be vaporized, and thus the possibility is more chemical The reaction between the fabric and the basin walls is significantly reduced.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet daneben noch zwei weitere Vorteile.The method according to the invention also offers two further advantages.

i. Die Zusammensetzung der auf den zu be.-dampfenden Gegenständen aufgebrachten Stoffmischungen, z. B. metallischen Legierungen, ist fast unabhängig von der Heizleistung der Elektronenstrahlen, sie wird in erster Linie nur .durch das Verhältnis der Komponenten bestimmt.i. The composition of the objects to be steamed applied mixtures of substances, e.g. B. metallic alloys, is almost independent of the heating power of the electron beams, it is primarily only .by determines the ratio of the components.

ä. Der eine Erzeuger für die Elektronenstrahlen ist räumlich so klein, daß er auch in kleinen evakuierten Räumen nicht stört bzw. an den Raum leicht angebaut werden kann.Ä. The one generator for the electron beams is spatially so small, that it does not disturb even in small evacuated rooms or that it is easily attached to the room can be.

Die Abb. r zeigt schematisch eine Anordnung zweier Tiegel zur Verdampfung mittels eines Elektronenstrahlbündels die Abb. 2@ zeigt eine zu der in der Anordnung der Abb. i gehörige günstige Spannungskurve für das abzulenkende elektrische Feld; die Abb.3 zeigt schematisch eine Anordnung dreier Tiegel zur Verdampfung mittels eines Elektronenstrahlbündels; die Abb. q. zeigt hierzu eine günstige Spannungskurve für das elektrische Feld.; die Abb. 5 zeigt eine Anordnung zweier Kondensatorpla,ttenpaare zurErzeugung elektrischer Felder für die Verdampfung aus mehr als drei Tiegeln; die Abb. 6 zeigt eine Anordnung der Tiegel für dieAblenkung des Elektronenstrahlbündels in einem magnetischen Drehfeld.Fig. R shows a schematic arrangement of two crucibles for evaporation Fig. 2 @ shows one of the in the arrangement by means of an electron beam Fig. i corresponding favorable voltage curve for the electrical field to be deflected; Fig.3 shows schematically an arrangement of three crucibles for evaporation by means of an electron beam; fig. q. shows a favorable voltage curve for this for the electric field .; Fig. 5 shows an arrangement of two capacitor plate pairs to generate electric fields for evaporation from more than three crucibles; Fig. 6 shows an arrangement of the crucibles for deflecting the electron beam in a rotating magnetic field.

In Ab'b. i wird !das Elektronenstrahlbündel i durch eine Elektronenoptik 2 auf die Oberfläche eine der zu verdampfenden Stoffe, z. B. einer Legierungskomponente, .die sich in dem Tiegel 3 befindet, geworfen. Zwischen .den Platten q. und 5 kann ein elektrisches Feld erzeugt werden, indem an die Platte q. eine Spannung gelegt wird. Der Elektronenstrahl i vermag hierdurch so abgelenkt zu werden, daß er nunmehr die Oberfläche des anderen @zu verdampfenden Stoffs in Tiegel 6 trifft.In Fig. i becomes! the electron beam i through electron optics 2 on the surface of one of the substances to be evaporated, e.g. B. an alloy component, .which is in the crucible 3, thrown. Between the plates q. and 5 can an electric field can be generated by applying to the plate q. put a tension will. The electron beam i can thereby be deflected so that it now hits the surface of the other substance to be evaporated in crucible 6.

Das Schaubild der Abb.2 zeigt, daß während ,der Verdampfung in der Zeit t1, in der der Elektronenstrahl .auf dem Tiegel 3 ruht, die Platte 4. keine Spannung gegen .die Platte 5 hat, in der Zeit t2 jedoch hat sie vorteilhaft die rechteckförmige Spannung V4: Diese Spannung wird nun alternierend angelegt, so daß Tiegel 3 die Heizperiode t1 und Tiegel 6 die Heizperiode t2 erhält, die Stoffe werden .dann im Verhältnis dieser Verweilzeiten t1 und t2 für das Eiektronenstrahlbündel verdampft. Wird die absolute Länge der Verweilzeiten t1 und t2 .geändert, so wächst damit die Schichtdicke der abgeschiedenen Stoffe an. Sind die Zeiten sehr klein, so sind .die Schichten sehr .dünn, und eine Ixgierungsbildung bei Metallen kann z. B. durch Diffusion sehr leicht stattfinden.The diagram in Fig.2 shows that during, the evaporation in the Time t1 in which the electron beam rests on the crucible 3, the plate 4 none Tension against .the plate 5 has, in the time t2, however, it has advantageous the Square-wave voltage V4: This voltage is now applied alternately so that Crucible 3 receives the heating period t1 and crucible 6 receives the heating period t2, the substances become .then in the ratio of these dwell times t1 and t2 for the electron beam evaporates. If the absolute length of the dwell times t1 and t2 is changed, it increases thus the layer thickness of the deposited substances. Are the times very short the layers are very thin, and metal oxidation can occur z. B. take place very easily by diffusion.

In Abb. 3 ist eine Anordnung für die Verdampfung aus drei Tiegeln gezeigt. Der Elektronenstrahl wird durch ein elektrisches WechselfeId zwischen den Platten 4 und 5 vorn Tiegel 3 auf die Tiegel 6 und 7 gelenkt. Ein Beispiel für das Spannungs-Zeit-Schaubild für die Platte d. ist in Abb. d. gezeigt. In :der Zeit t1 verweilt der Elektronenstrahl auf dem Tiegel 3, in der Zeit t. auf Tiegel 6, denn die Spannung "'4 des elektrischen Feldes bewirkt die Ablenkung .des Elektronenstrahls, in der Zeit ts ist eine Spannung v4 mit umgekehrten Vorzeichen als v4 angelegt, und, der Elektronenstrahl wird dadurch nach der anderen Richtung, in diesem Fall zum Tiegel 7 abgelenkt. Auch hier bestimmen die Zeiten t1, t2 und t.,die Verweildauer des Elektronenstrahls auf .den Tiegeln und damit die Verdampfungsmenge .der einzelnen Stoffe.In Fig. 3 is an arrangement for the evaporation from three crucibles shown. The electron beam is driven by an electrical alternating field between the Plates 4 and 5 in front of crucible 3 the crucibles 6 and 7 steered. A Example of the stress-time diagram for plate d. is shown in Fig. d. shown. In: the time t1 the electron beam remains on the crucible 3, in the time t. on Crucible 6, because the voltage "'4 of the electric field causes the deflection .des Electron beam, in the time ts there is a voltage v4 with the opposite sign applied as v4, and, the electron beam is thereby in the other direction, in this case deflected to the crucible 7. Here, too, determine the times t1, t2 and t., the dwell time of the electron beam on the crucibles and thus the amount of evaporation .of the individual substances.

Wenn Stoffe aus mehr als drei Tiegeln verdampft werden sollen, kann durch ein zweites Plattenpaar, das zum ersten senkrecht steht, eine weitere Ablenkung der Elektronenstrahlen erfolgen.If substances from more than three crucibles are to be evaporated, can by a second pair of plates perpendicular to the first, another deflection the electron beams take place.

Abb.5 zeigt in :der Richtung des Elektronenstrahlbündels von oben gesehen zwei Plattenpaare, die eine Ablenkung :des Elektronenstrahls i von der Mitte in den Pfeilrichtungen ermöglichen.Fig.5 shows in: the direction of the electron beam from above seen two pairs of plates showing a deflection: the electron beam i from the center enable in the directions of the arrows.

In Abb. 6 sind die Tiegel 8 bis 13 ringförmig angeordnet. Das Elektronenstrahlbündel wird durch ein magnetisches Drehfeld von einemTiegel auf den anderen gelenkt, wobei .die Bewegung zwischen den Tiegeln so rasch wie möglich zu erfolgen hat. Man kann hierbei jede Plattenanordnung mit zeitlich verschobenen Wechselströmen verwenden, die ein Drehfeld ergibt.In Fig. 6, the crucibles 8 to 13 are arranged in a ring. The electron beam is directed from one crucible to the other by a magnetic rotating field, whereby . the movement between the crucibles has to take place as quickly as possible. One can use any plate arrangement with alternating currents that are shifted in time, which results in a rotating field.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Verdampfen von zwei oder mehr Stoffen im Vakuum mittels Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzige.s Elektronenstrahlbündel abwechselnd auf die aus getrennten: Tiegeln einzeln zu verdampfenden Stoffe gelenkt wird. PATENT CLAIMS: i. Process for the evaporation of two or more substances in a vacuum by means of electron beams, characterized in that a single.s Electron beam alternately on the separate: crucibles to be evaporated individually Matter is directed. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstrahlbündel durch ein elektrisches Feld geht und in diesem in seiner Richtung abgelenkt wird. 2. The method according to claim i, characterized in that the Electron beam goes through an electric field and in this in his Direction is diverted. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinander senkrecht stehende elektrische Felder angewendet sind. d.. 3. The method according to claim i and 2, characterized in that that two mutually perpendicular electric fields are applied. d .. Verfahren nach Anspruch i, .dadurch -ekennzeichnet, daß das Elel;troii,eiistralilbiiiidel durch ein magnetisches Feld in seiner Richtung abgelenkt wird. Method according to claim i, characterized in that the elel; troii, eiistralilbiiiidel is deflected in its direction by a magnetic field. Verfahren nach Anspruch i und 4., dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Drehfeld angewendet ist. Method according to claim i and 4., characterized in that a rotating magnetic field is applied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische oder magnetische Feldstärkezeitkurve eine möglichst dem Rechteck angenäherte Form hat. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electric or magnetic field strength time curve as close as possible to the rectangle Has shape. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Metalle so schnell nacheinander verdampft werden, daß ihre auf dein zii metallisierenden Gegenstand kondensierenden Schichten eine Legierung miteinander bilden. B. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that two or more metals are vaporized one after the other so quickly that theirs on The layers to be metallized condense an alloy with one another form. B. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Metalle so schnell nacheinander verdampft werden, daß ihre Dämpfe sich im Raum noch vor ihrer Kondensation mischen und als Legierung auf dem zu metallisierenden Gegenstand niedergeschlagen haben. Method according to one of the preceding claims, characterized in that that two or more metals are vaporized one after the other so rapidly that their vapors mix in the room before their condensation and as an alloy on the one to be metallized Have knocked down the object. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Legierung durch die Änderung,des Verhältnisses :der Verdampfungszeiten der einzelnen Komponenten bestimmt wird. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 188 4.66.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the composition of the alloy by the change, des Ratio: the evaporation times of the individual components is determined. Dressed Publications: German Patent No. 188 4.66.