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IBAD-Beschichtungsanlage mit hoher Produktionskapazitaet

IP.com Disclosure Number: IPCOM000010506D
Original Publication Date: 2003-Jan-25
Included in the Prior Art Database: 2003-Jan-25
Document File: 3 page(s) / 233K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Bei der Herstellung von Duennfilmen aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial (HTSL) fehlt es immer noch an geeigneten Produktionsmethoden, die eine kostenguenstige Beschichtung mit grosser Produktionskapazitaet ermoeglichen. Die Idee ist eine grundlegende Verbesserung eines besonderen Beschichtungsverfahrens zur Herstellung von biaxial zwangstexturierten Pufferschichten mittels Ion Beam Assisted Deposition (sogenanntes IBAD). Eine solche Pufferschicht ist unerlaesslich, wenn man HTSL hoher Qualitaet auf preiswerten polykristallinen oder amorphen Substraten abscheiden will (siehe Abb.1). Als Materialien kommen hierbei Baender oder Platten aus Metall, Keramik oder Glas in Frage, die ueber eine fuer die HTSL-Beschichtung hinreichend glatte Oberflaeche verfuegen. Die zur Zeit weltweit betriebenen IBAD-Anlagen bestehen zum einen aus einer Beschichtungsstation (z.B. Ionenstrahlsputtern, Magnetronsputtern, Laserablation oder Elektronenstrahlverdampfen), welche fuer die eigentliche Materialdeposition der Pufferschicht verantwortlich ist. Zusaetzlich wird noch ein Ionen- oder Neutralteilchenstrahl unter geeignetem Winkel auf den aufwachsenden Film gerichtet, der ein biaxial texturiertes Wachstum erzwingt (siehe Abb. 2). Nachteil dieses Aufbaus ist es, dass die Breite der homogenen Beschichtungszone auf einige Zentimeter (z.B. ca. 10 cm) beschraenkt ist, was die simultan beschichtbare Flaeche deutlich begrenzt. Die hier aufgezeigte Idee betrifft den konzeptionellen Aufbau von IBAD-Anlagen mit mindestens zwei gegenueberliegenden Ionenquellen zur Texturierung (siehe Abb. 3a). Die Beschichtungsstation (1) sorgt fuer die Materialdeposition auf den Substraten (2) die in Form von Baendern oder Platten in zwei moeglichen Richtungen durch die Beschichtungszone bewegt werden koennen. Die beiden Ionenquellen (3) erzeugen bei geeigneter Ueberlagerung ihrer Strahlprofile eine mehr als doppelt so breite Zone mit den richtigen Beschichtungsbedingungen als bei einer einzelnen Quelle. Ebenfalls ist es bei der Beschichtung von Baendern moeglich, diese straff ueber eine gekruemmte Oberflaeche zu ziehen, um so zu verhindern, dass sie sich aufgrund der starken Druckspannungen in der Pufferschicht an den Raendern zu stark woelben (siehe Abb. 3b). Mit zwei Ionenquellen ist es hierbei moeglich, eine breite Beschichtungszone mit gut angepasstem Einfallswinkel zu erreichen. Die Neuerung liegt in der Verwendung von zwei Ionenquellen zur Texturierung, die aus entgegengesetzten Richtungen auf das Substrat zielen und dadurch eine breite und symmetrische Zone mit optimalen Beschichtungsbedingungen ermoeglichen. Ausfuehrungsbeispiel (siehe auch Abb. 3a): Die Groesse der Beschichtungszone wird massgeblich von den Abmessungen der Texturierungsquellen (3) bestimmt. Diese sind kommerziell bei verschiedenen Anbietern erhaeltlich, z.B. in linearer Bauweise mit Strahlaustrittsflaechen von 6x66 cm². Sind zwei solche Quellen in geeigneter Weise entgegengesetzt auf das Substrat (2) gerichtet, laesst sich eine homogene simultan beschichtbare Zone von ca. 20x50 cm² erreichen. Zur Materialdeposition koennen drei hintereinander angeordnete Elektronenstrahlverdampfer benutzt werden, die ein angepasstes Beschichtungsprofil ermoeglichen. Waehlt man als Puffermaterial das weit verbreitete Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid (YSZ), muss der Einfallswinkel der Texturierungsstrahlen etwa 55° zur Substratnormalen betragen. Mit einer solchen Anordnung laesst sich eine lokale Beschichtungsrate von mindestens 1 µm/h erreichen. Unter Beruecksichtigung der Beschichtungszone von 20x50 cm² = 0,1 m² benoetigt man zur Beschichtung von 1m² ca. 10h. Zum Vergleich betraegt bei unserer eigenen, sehr leistungsfaehigen IBAD-Anlage (vgl. “Proc. 2000 Intern. Works. Supercond.“, Shimane, JP, S. 269 - 271) die Beschichtungszone ca. 10x20 cm² bei gleicher Aufwachsrate von ca. 1 µm/h. Die Beschichtungskapazitaet koennte mit dem neuen Konzept mit zwei linearen Ionenquellen also um den Faktor 5 gesteigert werden und das bei nur geringfuegig erhoehten Betriebskosten. Die Beschichtungszone kann durch Aneinanderreihung weiterer Ionenquellen und Beschichtungseinheiten natuerlich noch weiter vergroessert werden. Weiterhin besteht bei der lokalen Beschichtungsrate noch Steigerungspotential, wenn leistungsfaehigere Beschichtungsstationen eingesetzt werden, als das bisher der Fall ist.

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IBAD-Beschichtungsanlage mit hoher Produktionskapazitaet

Idea: Rainer Nies, DE-Erlangen

Bei der Herstellung von Duennfilmen aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial (HTSL) fehlt es immer noch an geeigneten Produktionsmethoden, die eine kostenguenstige Beschichtung mit grosser Produktionskapazitaet ermoeglichen.

Die Idee ist eine grundlegende Verbesserung eines besonderen Beschichtungsverfahrens zur Herstellung von biaxial zwangstexturierten Pufferschichten mittels Ion Beam Assisted Deposition (sogenanntes IBAD). Eine solche Pufferschicht ist unerlaesslich, wenn man HTSL hoher Qualitaet auf preiswerten polykristallinen oder amorphen Substraten abscheiden will (siehe Abb.1). Als Materialien kommen hierbei Baender oder Platten aus Metall, Keramik oder Glas in Frage, die ueber eine fuer die HTSL-Beschichtung hinreichend glatte Oberflaeche verfuegen.

Die zur Zeit weltweit betriebenen IBAD-Anlagen bestehen zum einen aus einer Beschichtungsstation (z.B. Ionenstrahlsputtern, Magnetronsputtern, Laserablation oder Elektronenstrahlverdampfen), welche fuer die eigentliche Materialdeposition der Pufferschicht verantwortlich ist. Zusaetzlich wird noch ein Ionen- oder Neutralteilchenstrahl unter geeignetem Winkel auf den aufwachsenden Film gerichtet, der ein biaxial texturiertes Wachstum erzwingt (siehe Abb. 2). Nachteil dieses Aufbaus ist es, dass die Breite der homogenen Beschichtungszone auf einige Zentimeter (z.B. ca. 10 cm) beschraenkt ist, was die simultan beschichtbare Flaeche deutlich begrenzt.

Die hier aufgezeigte Idee betrifft den konzeptionellen Aufbau von IBAD-Anlagen mit mindestens zwei gegenueberliegenden Ionenquellen zur Texturierung (siehe Abb. 3a). Die Beschichtungsstation (1) sorgt fuer die Materialdeposition auf den Substraten (2) die in Form von Baendern oder Platten in zwei moeglichen Richtungen durch die Beschichtungszone bewegt werden koennen. Die beiden Ionenquellen (3) erzeugen bei geeigneter Ueberlagerung ihrer Strahlprofile eine mehr als doppelt so breite Zone mit den richtigen Beschichtungsbedingungen als bei einer einzelnen Quelle.

Ebenfalls ist es bei der Beschichtung von Baendern moeglich, diese straff ueber eine gekruemmte Oberflaeche zu ziehen, um so zu verhindern, dass sie sich aufgrund der starken Druckspannungen in der Pufferschicht an den Raendern zu stark woelben (siehe Abb. 3b). Mit zwei Ionenquellen ist es hierbei moeglich, eine breite Beschichtungszone mit gut angepasstem Einfallswinkel zu errei...