NL1020059C2

NL1020059C2 - Werkwijze en inrichting voor het bekleden van een substraat.

Info

Publication number: NL1020059C2
Application number: NL1020059A
Authority: NL
Inventors: Johannes Alphonsus Fra Westrum; Gerardus Gleijm
Original assignee: Corus Technology B V
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2003-08-25
Also published as: BR0307800A; EP1483425A1; RU2316611C2; AU2003221458A1; JP4522709B2; CN100545299C; US20050064110A1; ATE399889T1; US7323229B2; EP1483425B1; WO2003071000A1; CN1636077A; CA2476855A1; HK1078616A1; ES2309305T3; KR100956491B1; JP2005523381A; DE60321893D1; KR20040085192A; RU2004128083A

Description

WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET BEKLEDEN VAN EEN SUBSTRAAT

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bekleden van een substraat 5 met een laag uit een materiaal, zoals een metaal, waarbij een hoeveelheid elektrisch geleidend materiaal ter verdamping in een ruimte met een lage achtergronddruk gebracht worden, en energie aan het te verdampen materiaal toegevoerd wordt om dit materiaal te verdampen. De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het bekleden van een substraat, en op het substraat verkregen met de werkwijze of 10 inrichting.

De hierboven omschreven werkwijze is een bekende techniek voor het bekleden van substraten met (dunne) lagen bekledingsmateriaal; de werkwijze wordt gewoonlijk aangeduid met de benaming Physical Vapour Deposition (PVD). De techniek wordt op grote schaal toegepast in de electronische en optische industrie, in 15 de glasindustrie, en bij de fabricage van met metaal bedekte kunststof foliën voor allerhande toepassingen. PVD is een aantrekkelijke bekledingswerkwijze, omdat de te bereiken kwaliteit hoog is en er geen afvalstoffen vrijkomen.

Bij het toepassen van PVD moet het bekledingsmateriaal eerst in de dampfase gebracht worden. Dit geschiedt door het verhitten van het bekledingsmateriaal in een 20 kamer waarin een zeer lage achtergronddruk heerst, een zogenaamde vacuümkamer. Als gevolg van de verhitting gaat het bekledingsmateriaal over in damp totdat een druk is bereikt die in thermodynamisch evenwicht is met het hete oppervlak van het bekledingsmateriaal van waaruit de damp wordt gevormd. Deze evenwichtsdampdruk is de belangrijkste parameter voor de overdrachtssnelheid van 25 het bekledingsmateriaal naar het substraat, waarop de damp neerslaat. De evenwichtsdampdruk is afhankelijk van de temperatuur van het bekledingsmateriaal. Om een redelijke transportsnelheid van het bekledingsmateriaal naar het substraat te verkrijgen, dus een redelijke hoeveelheid bekledingsmateriaal die per tijdseenheid op het substraat neerslaat, moet het bekledingsmateriaal meestal tot hoge temperaturen 30 verhit worden. Deze temperaturen liggen vaak in de orde van de helft van de kooktemperatuur bij atmosferische druk of soms nog hoger. In de praktijk liggen de temperaturen voor metalen tussen ca 600°C voor zink tot ca 2200°C voor niobium en rhenium. Metalen als tantaal, molybdeen en wolfram vereisen een zodanig hoge 10;:':; ' r - -2- temperatuur dat zij niet gebruikt worden bij PVD. Metalen als titanium, chroom, nikkel, aluminium en dergelijke worden zelden gebruikt omdat de materiaaltransportsnelheden laag zijn.

Nadelig bij het gebruik van PVD is dat de transportsnelheden vooral beperkt 5 worden door het feit dat de te verdampen bekledingsmaterialen als gevolg van de hoge procestemperaturen zich altijd in vloeibare toestand bevinden. Als gevolg daarvan moet het materiaal zich in een kroes bevinden, die bijvoorbeeld van een keramisch materiaal of van koper gemaakt kan zijn. In het laatste geval is intensieve koeling met water nodig, opdat een dunne huid van gestold bekledingsmateriaal het 10 koper bedekt, waardoor smelten of mee verdampen van het koper wordt voorkomen en aantasting van het koper onderdrukt wordt. Een nadelig gevolg van het koelen van een koperen kroes is dat een aanzienlijk deel van de toegevoerde warmte door de koeling verloren gaat. Het gebruik van een keramische kroes is beperkt tot bekledingsmaterialen die bij de hoge procestemperaturen geen chemische reactie 15 aangaan met het kroesmateriaal. Tevens is bij het gebruik van een keramische kroes het toevoeren van de benodigde verwarmingsenergie een probleem, omdat de meeste keramische materialen slechte warmtegeleiders zijn.

Het is een doel van de uitvinding een verbeterde werkwijze en inrichting voor het bekleden van substraten middels PVD te verschaffen.

20 Het is een ander doel van de uitvinding een dergelijke werkwijze en inrichting te verschaffen, waarbij de transportsnelheid van het bekledingsmateriaal hoger is dan tot nu toe mogelijk was.

Het is nog een ander doel van de uitvinding een dergelijke werkwijze en inrichting te verschaffen, waarmee in de praktijk materialen onder gebruikmaking 25 van PVD als bekledingsmateriaal gebruikt kunnen worden, terwijl dat tot nu toe niet mogelijk was.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding worden een of meer van deze doelen bereikt met een werkwijze voor het bekleden van een substraat met een laag uit een materiaal, zoals een metaal, waarbij een hoeveelheid elektrisch geleidend 30 materiaal ter verdamping in een ruimte met een lage achtergronddruk gebracht worden, en energie aan het te verdampen materiaal toegevoerd wordt om dit :) 9 -3- materiaal te verdampen, en waarbij het te verdampen materiaal zonder ondersteuning zwevend in de ruimte wordt gehouden.

Door het te verdampen materiaal zonder ondersteuning zwevend in de ruimte te houden is het gebruik van een koperen of keramische kroes niet meer nodig. 5 Hierdoor is het mogelijk het te verdampen materiaal een hogere temperatuur te geven, omdat de kroes niet meer de beperkende factor vormt. De transportsnelheid van het verdampte materiaal naar het substraat kan derhalve verhoogd worden. Doordat geen kroes meer gebmikt hoeft te worden kunnen ook materialen verdampt worden, die tot nu toe niet gebruikt konden worden vanwege hun reactiviteit met het 10 materiaal van de kroes.

Bij voorkeur wordt het te verdampen materiaal zwevend in een electromagnetisch wisselveld opgesloten. Het in een electromagnetisch wisselveld opsluiten van een electrisch geleidend materiaal is mogelijk als gevolg van de lorentzkrachten, die worden opgewekt door de wisselwerking tussen het uitwendig 15 magnetisch veld en de daardoor geïnduceerde wervelstromen (eddy currents) in het elektrisch geleidend materiaal.

Het in een electromagnetisch wisselveld laten zweven en smelten van geleidende stoffen is bekend onder de naam ‘levitatiesmelten’. Een werkwijze en inrichting daarvoor zijn beschreven in EP 0751361 BI; daarbij wordt het gesmolten 20 materiaal gebruikt voor precisie gieten. Overigens wordt daarbij nog steeds gebruikt gemaakt van een watergekoelde kroes waar het gesmolten materiaal geen contact mee mag maken. Levitatiesmelten in een electromagnetisch wisselveld is ook beschreven in enkele artikelen van verschillende auteurs in “3rd International Symposium on Electromagnetic Processing of Materials, April 3-6 2000, Nagoya, 25 Japan, pp 345-375. Het levitatiesmelten is tot nu toe echter niet gebruikt in samenhang met Physical Vapour Deposition; levitatiesmelten en daarna verdampen volgens de uitvinding is niet bekend.

Bij voorkeur wordt het electromagnetische wisselveld opgewekt met behulp van een hoogfrequente wisselstroom. Op deze wijze is de sterkte van het veld 30 gemakkelijk in te stellen en is geen aparte magneet nodig.

Volgens een voordelige uitvoeringsvorm van de werkwijze wordt het te verdampen materiaal verhit met behulp van een electromagnetische 10 2 C 0 -4- inductieverwarming. Hiermee is het te verdampen materiaal op de gewenste hoge temperatuur te brengen.

Alternatief of in aanvulling hierop kan het te verdampen materiaal verhit worden met behulp van laserstralen en/of een electronen-bombardement en/of een 5 inductief gekoppeld plasma en/of weerstandsverhitting. Al deze wijzen van verhitting zijn gemakkelijk toepasbaar voor het verhitten van zwevend materiaal.

Bij voorkeur wordt het verdampende materiaal aangevuld doordat het electromagnetische wisselveld in de tijd additionele hoeveelheden te verdampen materiaal aanzuigt. Door de aanzuigende werking van het electromagnetische 10 wisselveld is het makkelijk de door het verdampen afnemende hoeveelheid te verdampen materiaal continu of stapgewijs aan te vullen.

De bovenstaande werkwijze wordt bij voorkeur gebruikt voor het verdampen van titanium, magnesium, tin, zink, chroom, nikkel of aluminium, of een mengsel van een van deze metalen en een of meer andere materialen, waaronder deze of 15 andere metalen, aangezien dit commercieel belangrijke bekledingsmaterialen zijn. Na het verdampen kunnen sommige materialen reageren met een reactief gas, zoals zuurstof of stikstof, waardoor niet-geleidende oxiden of nitriden ontstaan. Deze reactie kan tijdens de dampfase of direct na het condenseren op het substraat plaatsvinden.

20 Volgens een voordelige uitvoeringsvorm wordt het substraat op continue wijze met een laag materiaal bedekt. In veel gevallen zal dit betekenen dat een substraat in de vorm van een band door de vacuümkamer gevoerd wordt, waarbij tijdens het verblijft van een gedeelte van de band in de kamer voldoende materiaal moet verdampen om dat gedeelte van de band te bekleden. Tot nu toe was dit gezien de 25 lage transportsnelheden niet mogelijk; met behulp van de werkwijze zoals hierboven beschreven is het wel mogelijk om voldoende materiaal voldoende snel te laten verdampen en derhalve een substraat zoals een band op industriële schaal te bekleden.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding is voorzien in een inrichting voor 30 het bekleden van een substraat met een laag uit een materiaal, zoals een metaal, door verdamping van een elektrisch geleidend materiaal, omvattend een kamer voorzien van middelen voor het onder een lage achtergronddruk brengen van de kamer, ·. . 1 -5- middelen voor het opnemen van het te verdampen materiaal, en middelen voor het verhitten van het te verdampen materiaal, waarbij volgens de uitvinding de middelen voor het opnemen van het te verdampen materiaal een spoel omvatten waarmee een electromagnetisch wisselveld op te wekken is, om het te verdampen materiaal zonder 5 ondersteuning in te laten zweven.

Door het verschaffen van de spoel is het mogelijk het te verdampen materiaal te laten zweven en is geen kroes meer nodig, zodat met behulp van deze inrichting de werkwijze zoals hierboven omschreven uitgevoerd kan worden.

Bij voorkeur is de spoel ingericht om middels een hoogfrequente wisselstroom 10 het electromagnetische wisselveld op te wekken. Doordat de spoel gebruik maakt van een hoogfrequente wisselstroom ontstaat een electromagnetisch wisselveld, waarin de lorentzkrachten het te verdampen materiaal zwevend kunnen houden.

Volgens een voorkeuruitvoering omvatten de middelen voor het verhitten van het materiaal een electromagnetische inductiespoel. Hiermee is het te verhitten 15 materiaal gemakkelijk tot een hoge temperatuur te verhitten, zonder contact met het te verhitten materiaal.

Alternatief of aanvullend omvatten de middelen voor het verhitten van het materiaal een laser en/of een electronenbron. Ook hiermee is het te verdampen materiaal te verhitten, zij het iets minder gemakkelijk.

20 Bij voorkeur zijn middelen aangebracht om de spoel te isoleren van de kamer.

Door de spoel te isoleren van de verdampingsruimte in de vacuümkamer is de spoel gescheiden van het te verdampen materiaal en is het mogelijk de spoel zeer goed te koelen, zonder dat vervuilend materiaal in de verdampingskamer en dus ook op het substraat terechtkomt. Ook kan het koelmiddel geen kortsluiting in de kamer 25 veroorzaken. Hierdoor is het mogelijk de spoel een hoog vermogen op te laten nemen en op het te verdampen materiaal over te laten brengen. De isolatiemiddelen omvatten bijvoorbeeld een keramische buis, aangezien keramiek tegen hoge temperaturen en tegen koelmiddelen bestand is.

De isolatiemiddelen voor de spoel verschaffen tevens het voordeel dat 30 geleidend materiaal dat op de isolatiemiddelen condenseert, door wervelstromen die door de spoel worden omgewekt smelt of verdampt, zodat het ofwel als gesmolten -6- materiaal naar het zwevende materiaal terugkeert, ofwel als damp gebruikt wordt voor het bekleden van het substraat. De geïsoleerde spoel is daardoor zelfreinigend.

Volgens een voordelige uitvoering zijn toevoermiddelen voor het toevoeren van het te verdampen materiaal in draadvorm voorzien, om tijdens gebruik het 5 verdampende materiaal aan te vullen. Het te verdampen materiaal moet doordat per tijdseenheid een gedeelte van het materiaal verdampt steeds aangevuld worden; de toevoermiddelen hiervoor moeten zodanig zijn ingericht dat de vacuümkamer onder vacuum blijft.

Bij voorkeur is meetapparatuur in de kamer is aangebracht. Deze 10 meetapparatuur dient om het proces te sturen. Bij voorkeur is de meetapparatuur onder meer geschikt om temperatuur te meten, bij voorbeeld door middel van optische pyrometrie.

Een derde aspect van de uitvinding heeft betrekking op een substraat voorzien van een laag uit electrisch geleidend materiaal, vervaardigd met behulp van de 15 werkwijze zoals hierboven omschreven en/of de inrichting zoals hierboven omschreven, waarbij bij voorkeur het electrisch geleidend materiaal een metaal is, bij meer voorkeur titanium, magnesium, tin, zink, chroom, nikkel of aluminium, of een mengsel van een van deze metalen en een of meer andere materialen, waaronder deze of andere metalen.

20

Claims

1. Werkwijze voor het bekleden van een substraat met een laag uit een materiaal, zoals een metaal, waarbij een hoeveelheid elektrisch geleidend materiaal ter 5 verdamping in een ruimte met een lage achtergronddruk gebracht worden, en energie aan het te verdampen materiaal toegevoerd wordt om dit materiaal te verdampen, met het kenmerk, dat het te verdampen materiaal zonder ondersteuning zwevend in de ruimte wordt gehouden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het te verdampen materiaal zwevend in een electromagnetisch wisselveld wordt opgesloten.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij het electromagnetische wisselveld wordt opgewekt met behulp van een hoogfrequente wisselstroom. 15

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij het te verdampen materiaal verhit wordt met behulp van een electromagnetische inductieverwarming.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het te verdampen 20 materiaal verhit wordt met behulp van laserstralen en/of een electronen- bombardement en/of een inductief gekoppeld plasma en/of weerstandsverhitting.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 2-5, waarbij het verdampende 25 materiaal aangevuld wordt doordat het electromagnetische wisselveld in de tijd additionele hoeveelheden te verdampen materiaal aanzuigt.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij titanium, magnesium, tin, zink, chroom, nikkel of aluminium, of een mengsel van een 30 van deze metalen met een of meer andere materialen, waaronder deze of andere metalen, verdampt wordt. -8-

8. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het substraat op continue wijze met een laag materiaal bedekt wordt.

9. Inrichting voor het bekleden van een substraat met een laag uit een materiaal, 5 zoals een metaal, door verdamping van een elektrisch geleidend materiaal, omvattend een kamer voorzien van middelen voor het onder een lage achtergronddruk brengen van de kamer, middelen voor het opnemen van het te verdampen materiaal, en middelen voor het verhitten van het te verdampen materiaal, met het kenmerk, dat de middelen voor het opnemen van het te 10 verdampen materiaal een spoel omvatten waarmee een electromagnetisch wisselveld op te wekken is, om het te verdampen materiaal zonder ondersteuning in te laten zweven.

10. Inrichting volgens conclusie 9, waarbij de spoel ingericht is om middels een 15 hoogfrequente wisselstroom het electromagnetische wisselveld op te wekken.

11. Inrichting volgens conclusie 9 of 10, waarbij de middelen voor het verhitten van het materiaal een electromagnetische inductiespoel omvatten.

12. Inrichting volgens conclusie 9, 10 of 11, waarbij de middelen voor het verhitten van het materiaal een laser en/of een electronenbron omvatten.

13. Inrichting volgens een der conclusies 9-12, waarbij middelen zijn aangebracht om de spoel te isoleren van de kamer. 25

14. Inrichting volgens conclusie 13, waarbij de isolatiemiddelen een keramische buis omvatten.

15. Inrichting volgens een der conclusies 9 - 14, waarbij toevoermiddelen voor het 30 toevoeren van het te verdampen materiaal in draadvorm voorzien zijn, om tijdens gebruik het verdampende materiaal aan te vullen. 1Q2UÜS9 -9-

16. Inrichting volgens een der conclusies 9 - 15, waarbij meetapparatuur in de kamer is aangebracht.

17. Inrichting volgens conclusie 16, waarbij de meetapparatuur geschikt is om 5 temperatuur te meten.

18. Inrichting volgens een der conclusies 9-17, geschikt voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een der conclusies 1 - 8.

19. Substraat voorzien van een laag uit electrisch geleidend materiaal, vervaardigd met behulp van de werkwijze volgens een der conclusies 1-8 en/of de inrichting volgens een der conclusies 9-18, waarbij bij voorkeur het electrisch geleidend materiaal een metaal is, bij meer voorkeur titanium, magnesium, tin, zink, chroom, nikkel of aluminium, of een mengsel van een van deze metalen 15 en een of meer andere materialen, waaronder deze of andere metalen. '>.;i