RU2121522C1 - Evaporator - Google Patents

Abstract

FIELD: application of coats in vacuum. SUBSTANCE: evaporator includes heater, shields, crucible and insert mounted in this crucible at clearance at level of molten metal or above it. Insert consists of two cones mounted coaxially with their vertices towards each other. Lower cone is truncated; outer diameter of its base is equal to inner diameter of crucible. Inner diameter of cone in truncated vertex is chosen from the following relationship:

where d_tr.v. is inner diameter of lower cone in truncated vertex and d_cr.in. is inner diameter of crucible. Upper cone provided with supports is mounted coaxially relative to lower cone. Vertex of upper cone lies at level of truncated vertex of lower cone; outer diameter of base of upper cone exceeds inner diameter of truncated vertex of lower cone. In applying the coat, no splashes get on backing. EFFECT: avoidance of splashes on backing; enhanced reliability and efficiency of evaporator. 2 dwg

Description

Изобретение относится к нанесению покрытий в вакууме и может быть использовано для получения толстых пленок металлов при изготовлении, например, разводки коммутационных плат. The invention relates to coating in vacuum and can be used to obtain thick films of metals in the manufacture of, for example, wiring patch boards.

Известны испарители, обладающие большим объемом загрузки и позволяющие за один цикл испарения наносить толстые пленки металлов [З.Ю. Готра, Технология микроэлектронных устройств, Справочник, Радио и связь, 1991, с. 272]. Эти испарители тигельного типа с косвенным нагревом от спирали или индукционной катушки. Подбором соответствующего материала тигля добавляются испарения материалов с высокой точкой плавления (выше 2200^oC) без взаимодействия материала тигля с испаряемым металлом.Evaporators are known that have a large loading volume and allow thick metal films to be deposited in one evaporation cycle [Z.Yu. Gotra, Technology of Microelectronic Devices, Handbook, Radio and Communications, 1991, p. 272]. These are crucible type evaporators with indirect heating from a coil or induction coil. By selecting the appropriate crucible material, vapors of materials with a high melting point (above 2200 ^o C) are added without the interaction of the crucible material with the evaporated metal.

Недостатком таких испарителей является разбрызгивание металла, которое делает невозможным использование таких пленок в микроэлектронике. Разбрызгивание металла происходит по двум основным причинам:
- из-за большого градиента температур между жидкой и твердой фазами;
- из-за наличия примесей в испаряемом материале и из-за его загрязнения.The disadvantage of such evaporators is metal spraying, which makes it impossible to use such films in microelectronics. Metal spraying occurs for two main reasons:
- due to the large temperature gradient between the liquid and solid phases;
- due to the presence of impurities in the evaporated material and due to its contamination.

Первую причину удается снизить за счет плавного разогрева тигля, что существенно зависит от профессионализма оператора, но полностью она все же не устраняется, т.е. велика разница температур в пристеночной и центральной частях тигля, что обусловлено самой конструкцией испарителя. The first reason can be reduced due to the smooth heating of the crucible, which significantly depends on the professionalism of the operator, but it still cannot be completely eliminated, i.e. the temperature difference in the wall and central parts of the crucible is large, which is due to the design of the evaporator.

Вторая причина также частично устраняется длительным напылением на заслонку, но при этом непроизвольно используется металл, т.е. коэффициент полезного использования (КПИ) испаряемого материала мал (10 - 20%). The second reason is also partially eliminated by prolonged spraying on the valve, but metal is used involuntarily, i.e. coefficient of useful use (KPI) of the evaporated material is small (10 - 20%).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является испаритель [Авт. св. СССР N 1257114, МКИ C 23 C 14/24], который содержит коаксиально расположенные нагреватель, радиационные экраны, тигель и вставку из пористого материала, установленную в тигле с зазором, причем объем открытых пор вставки равен или превышает объем загрузки испаряемого материала. В этом случае при достижении температуры плавления загрузка испаряемого материала расплавляется и, смачивая пористую вставку, испаряется из тонкого поверхностного слоя, предохраняя металл от разбрызгивания. The closest in technical essence to the proposed solution is the evaporator [Auth. St. USSR N 1257114, MKI C 23 C 14/24], which contains a coaxially arranged heater, radiation screens, a crucible and an insert of porous material installed in a crucible with a gap, the open pore volume of the insert being equal to or greater than the loading volume of the evaporated material. In this case, when the melting point is reached, the load of the evaporated material is melted and, wetting the porous insert, evaporates from a thin surface layer, protecting the metal from spraying.

Такой испаритель резко уменьшает разбрызгивание металла, но не исключает его полностью. Это связано как с большим градиентом температур по вставке, т. к. небольшая ее часть в основании нагревается за счет теплопроводности, а остальная - радиационным путем, так и из-за наличия примесей в испаряемом материале. Следует учесть, что для нагрева вставки необходимо затратить большую мощность, чем без нее, что ведет к снижению надежности работы испарителя за счет вспучивания и растрескивания стенок. Кроме того, в таком испарителе также невысок коэффициент полезного использования испаряемого материала за свет большого рассеяния потока пара и значительного осаждения материала на заслонку во время предварительного прогрева испарителя. Необходимо отметить также и разную скорость испарения во времени за счет изменения поверхности открытых пор, что затрудняет контроль процесса. Such an evaporator sharply reduces metal spatter, but does not completely exclude it. This is due both to the large temperature gradient along the insert, since a small part of it at the base is heated due to thermal conductivity, and the rest is heated by radiation, and also due to the presence of impurities in the evaporated material. It should be noted that for heating the insert it is necessary to expend more power than without it, which leads to a decrease in the reliability of the evaporator due to the expansion and cracking of the walls. In addition, in such an evaporator, the efficiency of the evaporated material is also low due to the light of large scattering of the vapor stream and significant deposition of the material on the damper during the preliminary heating of the evaporator. It should also be noted that different evaporation rates in time due to changes in the surface of open pores, which makes it difficult to control the process.

Техническим результатом изобретения являются полное исключение попадания брызг на подложку, повышение надежности и технологичности испарителя за счет повышения КПИ и постоянства скорости испарения. The technical result of the invention is the complete exclusion of spray on the substrate, increasing the reliability and manufacturability of the evaporator by increasing the KPI and constant evaporation rate.

Технологический результат достигается за счет того, что в испарителе, содержащем коаксиально расположенные нагреватель, экраны, тигель и вставку, установленную в тигле с зазором, вставка установлена на уровне или выше уровня расплавляемого металла и выполнена в виде двух полых конусов, расположенных соосно вершинами навстречу друг другу, при этом нижний конус выполнен усеченным с наружным диаметром основания, равным диаметру тигля, и с внутренним диаметром в усеченной вершине, выбираемым из условия

где
d_у.в. - внутренний диаметр нижнего конуса в усеченной вершине,
d_вн.т. - внутренний диаметр тигля,
а верхний конус имеет опоры и вершина его расположена на уровне усеченной вершины нижнего конуса, а наружный диаметр основания больше внутреннего диаметра нижнего конуса в усеченной вершине.The technological result is achieved due to the fact that in an evaporator containing a coaxially arranged heater, screens, a crucible and an insert mounted in a crucible with a gap, the insert is installed at or above the level of the molten metal and is made in the form of two hollow cones, located coaxially with their vertices facing each other friend, while the lower cone is made truncated with an outer diameter of the base equal to the diameter of the crucible, and with an inner diameter in the truncated top, selected from the condition

Where
d _u.v. - the inner diameter of the lower cone in a truncated top,
d _int. - the inner diameter of the crucible,
and the upper cone has supports and its vertex is located at the level of the truncated top of the lower cone, and the outer diameter of the base is larger than the inner diameter of the lower cone in the truncated top.

На фиг. 1 представлен испаритель со вставкой, установленной на уступе, выполненном на внутренней поверхности тигля. In FIG. 1 shows an evaporator with an insert mounted on a ledge made on the inner surface of the crucible.

На фиг. 2 представлен испаритель с нижним конусом, установленным на опорах. In FIG. 2 shows an evaporator with a lower cone mounted on supports.

На фиг. 1б, 2б представлен чертеж верхнего конуса. In FIG. 1b, 2b is a drawing of the upper cone.

Испаритель состоит из коаксиально расположенных нагревателя 1, экрана 2, тигля 3 и вставки, состоящей из нижнего 4 и верхнего 5 конусов, установленных соосно вершинами навстречу друг другу. Нижний усеченный конус установлен своим основанием на уровне или выше уровня расплавленного металла 6 на уступе, выполненном на внутренней поверхности тигля (фиг. 1) или на опорах 8 (фиг. 2), а верхний конус 5 опирается на поверхность нижнего конуса 4 тремя ножками 7. Длина ножек такова, что вершина верхнего конуса 5 находится на уровне усеченной вершины нижнего конуса 4. При изготовлении испарителя необходимо учитывать следующие геометрические соотношения:
- наружный диаметр основания нижнего конуса 4 равен внутреннему диаметру тигля 3;
- внутренний диаметр в усеченной вершине нижнего конуса 4 выбирается из условия

где
d_у.в. - внутренний диаметр нижнего конуса в усеченной вершине,
d_вн.т. - внутренний диаметр тигля 3,
- диаметр основания верхнего конуса 5 должен быть больше диаметра усеченной вершины нижнего конуса (d_осн.>d_у.в.).The evaporator consists of a coaxially arranged heater 1, a shield 2, a crucible 3 and an insert consisting of lower 4 and upper 5 cones mounted coaxially with their vertices facing each other. The lower truncated cone is mounted with its base at or above the level of molten metal 6 on a ledge made on the inner surface of the crucible (Fig. 1) or on supports 8 (Fig. 2), and the upper cone 5 rests on the surface of the lower cone 4 with three legs 7 The length of the legs is such that the top of the upper cone 5 is at the level of the truncated top of the lower cone 4. In the manufacture of the evaporator, the following geometric relationships must be taken into account:
- the outer diameter of the base of the lower cone 4 is equal to the inner diameter of the crucible 3;
- the inner diameter at the truncated top of the lower cone 4 is selected from the condition

Where
d _u.v. - the inner diameter of the lower cone in a truncated top,
d _int. - the inner diameter of the crucible 3,
- the diameter of the base of the upper cone 5 should be larger than the diameter of the truncated top of the lower cone (d _main > d _u.v. ).

Испаритель работает следующим образом. Испаряемый материал 6 загружают на дно тигля 3. После откачки вакуумной установки тигель 3 нагревают до необходимой температуры с помощью нагревателя 1, расплавляя испаряемый материал 6. При этом происходят испарение материала с поверхности расплава и проход паров через вставку. В связи с вышеуказанными геометрическими соотношениями в размерах тигля и вставки прямой проход паров без столкновения с поверхностью вставки или тигля невозможен, что полностью исключает попадание капелек металла на подложку, т.к. они теряют свою кинетическую энергию во время неупругих столкновений со стенками. Кроме того, этими геометрическими соотношениями обеспечивается равенство проходных сечений между конусами вставки и между верхним конусом и стенками тигля. Этим обеспечивается максимальная проходимость тигля для паров металла. Этому служит также и конусная форма вставки, позволяющая полезно использовать поток пара за счет отражения от ее стенок. Нижний конус 4 установлен своим основанием в проточке тигля на уровне или выше уровня расплава 6 по двум причинам. Первая - это сохранение прежней мощности, необходимой для испарения металла, т.к. опускание конуса 4 на дно тигля 3 привело бы к увеличению толщины стенок тигля 3 и увеличению необходимой для испарения металла мощности. Вторая причина - это повышение коэффициента полезного использования испаряемого металла. Дело в том, что в начальный период разогрева тигля позднее всех разогревается поверхность верхнего конуса 5, а поэтому значительная часть испаряемого материала конденсируется на нем, а не на заслонке. Затем, по мере разогрева, она реиспаряется и участвует в формировании пленки. The evaporator operates as follows. The evaporated material 6 is loaded onto the bottom of the crucible 3. After evacuation of the vacuum unit, the crucible 3 is heated to the required temperature using the heater 1, melting the evaporated material 6. In this case, the material evaporates from the melt surface and the vapor passes through the insert. In connection with the above geometric relationships in the dimensions of the crucible and the insert, a direct vapor passage without collision with the surface of the insert or crucible is impossible, which completely eliminates the ingress of metal droplets onto the substrate, since they lose their kinetic energy during inelastic collisions with the walls. In addition, these geometric relationships ensure the equality of the flow sections between the cones of the insert and between the upper cone and the walls of the crucible. This ensures maximum crossability of the crucible for metal vapor. The conical shape of the insert also serves this, which makes it possible to use the steam flow due to reflection from its walls. The lower cone 4 is installed with its base in the crucible groove at or above the level of melt 6 for two reasons. The first is the preservation of the previous power necessary for the evaporation of metal, because lowering the cone 4 to the bottom of the crucible 3 would increase the thickness of the walls of the crucible 3 and increase the power required for the evaporation of the metal. The second reason is the increase in the efficiency of the evaporated metal. The fact is that in the initial period of the crucible warming up, the surface of the upper cone 5 is heated later than all, and therefore a significant part of the evaporated material condenses on it, and not on the damper. Then, as it warms up, it reevaporates and participates in the formation of the film.

Для получения толстых слоев меди нами применялся тигель из молибдена, который имел внутренний диаметр d_вн.т.= 30 мм и высоту также 30 мм. Вставка была изготовлена также из молибдена. Нижний усеченный конус имел в основании диаметр 30 мм, а в усеченной вершине

Диаметр основания верхнего конуса был немного больше d_осн.>d_у.в. и составлял 23 мм, чем обеспечивалась невозможность прохождения паров испаряемого материала без столкновения со стенками. Оба конуса имели высоту 7 мм.To obtain thick layers of copper, we used a molybdenum crucible, which had an internal diameter d _int.t. = 30 mm and the height is also 30 mm. The insert was also made of molybdenum. The lower truncated cone had a diameter of 30 mm at the base, and at the truncated apex

The diameter of the base of the upper cone was slightly larger than d _main. > d _UV and was 23 mm, which ensured the inability to pass the vapor of the vaporized material without collision with the walls. Both cones had a height of 7 mm.

Сравнительные испытания показали, что при работе с предлагаемым испарителем полностью исключаются брызги металла, коэффициент полезного действия пара увеличивается на 20%, а срок службы испарителя увеличивается в 1,5 раза по сравнению с прототипом. Comparative tests showed that when working with the proposed evaporator, metal sprays are completely eliminated, the efficiency of steam increases by 20%, and the service life of the evaporator increases by 1.5 times compared to the prototype.

Claims (1)

Испаритель, содержащий коаксиально расположенные нагреватель, экраны, тигель и вставку, установленную в тигле с зазором, отличающийся тем, что вставка установлена на уровне или выше уровня расплавляемого металла и выполнена в виде двух полых конусов, расположенных соосно с вершинами навстречу друг другу, нижний конус выполнен усеченным с наружным диаметром основания, равным диаметру тигля, и с внутренним диаметром в усеченной вершине, выбираемым из условия

где d_у.в. - внутренний диаметр нижнего конуса в усеченной вершине;
d_вн.т. - внутренний диаметр тигля,
верхний конус имеет опоры, вершина его расположена на уровне усеченной вершины нижнего конуса, а наружный диаметр основания больше внутреннего диаметра нижнего конуса в усеченной вершине.An evaporator comprising a coaxially arranged heater, screens, a crucible and an insert mounted in a crucible with a gap, characterized in that the insert is installed at or above the level of the molten metal and is made in the form of two hollow cones arranged coaxially with the vertices facing each other, the lower cone made truncated with an outer diameter of the base equal to the diameter of the crucible, and with an inner diameter in the truncated top, selected from the condition

wherein _WV d - the inner diameter of the lower cone in a truncated vertex;
d _int. - the inner diameter of the crucible,
the upper cone has supports, its top is located at the level of the truncated top of the lower cone, and the outer diameter of the base is larger than the inner diameter of the lower cone in the truncated top.

Images