DD265175A1 - Verfahren und einrichtung zur homogenen schichtabscheidung in vakuumanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur homogenen Schichtabscheidung und bezieht sich auf das Beschichten grossflaechiger Substrate mit ebener oder gekruemmter Schichtraegerflaeche in Vakuumanlagen. Sie ist vorteilhaft insbesondere zur Herstellung optischer Schichten bzw. Schichtsysteme anwendbar. Das Verfahren besteht darin, dass das Teilchenangebot des Beschichtungsmaterials als definierter Strahl am aeusseren oder inneren Rand der gesamt zu beschichtenden Oberflaeche oder in deren Mittelpunkt auftrifft und der Strahl mit gleichbleibenden Parametern und unter definiertem, gleichbleibenden Auftreffwinkel ueber dem Radius oder Durchmesser der gesamt zu beschichtenden Flaeche in Abhaengigkeit vom Durchmesser derselben und deren Rotationsgeschwindigkeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit gefuehrt wird. Dadurch kann ein sehr homogener Schichtaufbau bei grossflaechigen Beschichtungen mit nur einer Beschichtungseinrichtung erreicht werden. Zur Durchfuehrung des Verfahrens sind drei Ausfuehrungsbeispiele angegeben. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur homogenen Schichtabscheidung auf einem großflächigen, rotierenden Substrat mit ebener oder gekrümmter Schichtträgerfläche oder auf eine Vielzahl kleiner, in z. B. kalottenförmigen Substrathaltern angeordneten Substraten mit insgest. großer Beschichtungsfläche mittels Beschichtungsverfahren, wie z.B

Verdampfung, Sputtern, lonenstrahlzerstaubung, in Vakuumanlagen. Sie ist insbesondere vorteilhaft zur Herstellung optischer Schichten bzw. Schichtsystemen anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist allgemein bekannt, großflächige Substrate mit leistungsstarken Verdampfungsquellen und unter Einsatz von Korrekturblenden in Vakuumanlagen zu beschichten. Die Homogenität der aufgebrachten Schicht genügt zwar bei vielen Anwendungsfällen den Anforderungen, jedoch oft nicht bei optischen Schichten.

Zur Verbesserung der Sc lichtdickengleichmäßigkeit ist es auch allgemein üblich, die Substrate in Rotation zu versetzen und Dampfstrahlkorrekturbionden einzusetzen. Auch ist es bekannt (DD-WP 152363) zur Beschichtung großflächiger rotierender Substrate, z. B. Astrospiegel, mehrere Verdampferquellen anzuordnen. Zusätzlich sind dazu aber pro Verdampfer eine Blende und mehrere Korrekturblenden erforderlich, um eine homogene Beschichtung zu realisieren. Präzisionsbeschichtungen lassen sich damit mit vertretbarem Aufwand nicht ausführen. Eine Modifizierung dor' Eigenschaften der aufgebrachten Schicht ist bei großen Substraten nicht ohne weiteres möglich.

Zur Erzielung einer homogenen Schicht auf einzelnen, insbesondere gekrümmten bzw. in Kalotten angeordneten Substraten ist durch die DE-OS 23 16 258 eine Vakuumbedampfungsanlage bekannt, bei der der Verdampfungstiegel um eine vertikale Achse rotiert, wobei das im Tiegel enthaltene Verdampfungsmaterial mittels eines Elektronenstrahles zum Schmelzen und Verdampfen gebracht wird. Die Verteilung des Schichtmaterials auf dem bzw. den Substraten kann durch Wahl der Drehzahl des Verdampfungstiegels eingestellt werden. Dieses Verfahren ist jedoch für großflächige Substrate nicht geeignet, weil der Durchmesser das Verdampfungstiegels groß sein müßte, damit die gesamte Schichtträgerfläche vom Dampfstrom erreicht wird, was eine leistungsstarke Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung erfordert und durch die angegebene Bedingung, daß

der Mittelpunkt der den Scheitelpunkt der parabelförmigen Oberfläche der Schmelze im Verdampfungstiegel berührenden Kugel mit dem Krümmungsmittelpunkt der Kalotte zusammenfällt, eine entsprechend große Bauhöhe der Verdampfungsanlage erfordert. Hierbei ist zwangsläufig ein tieferer Arbeitsdruck nötig zur Sicherung des Teilchentransports ohne zusätzliche Gasstreuungseffekte. Außerdem ist dieses Verfahren für sublimierende Materialien, die häufig in der Optikbeschichtung eingesetzt werden, ungeeignet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, großflächig eine homogene Beschichtung auf rotierenden Substraten mit ebener oder gekrümmter Schichtträgerfläche oder in kalottenförmigen Substrathalter^ angeordneten Substraten mit insgesamt großer Beschichtungsfläche zu erzielen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, nach dem großflächige, rotierende Substrate mit ebener oder gekrümmter Schichtträgerfläche oder eine Vielzahl kleiner, z. B. in kalottenförmigen Substrathaltern angeordnete Substrate mit insgesamt großer Beschichtungsflächo nur mit einer Beschichtungseinrichtung homogen beschichtet werden können und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Toilchenangebot des Beschichtungsmaterials als definierter Strahl am äußeren oder inneren Rand der gesamt zu beschichtenden Oberfläche oder in deren Mittelpunkt auftrifft und der Strahl mit gleichbleibenden Parametern und unter definiertem, gleichbleibendem Auftreffwinkel über den Radius oder Durchmesser der gesamt zu beschichtenden Fläche in Abhängigkeit vom Durchmesser derselben und deren Rotationsgeschwindigkeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit geführt wird.

Der Dampfstrahl wird über den Radius oder Durchmesser der zu beschichtenden Fläche hin und her bewegt, wobei die Verweilzeit des Dampfstrahles an deren äußerem Rand sehr viel größer als nahe des Mittelpunktes ist, d. h. eine diskontinuierliche Bewegung des Dampfstrahles über den Radius bzw. Durchmesser der zu beschichtenden Fläche in Abhängigkeit von der Drehzahl des Substrats ist erforderlich.

Durch das Verfahren, das mit den allgemein bekennten Beschichtungsverfahren realisiert werden kann, wird mit nur einer Beschichtungseinrichtung ein sehr homogener Schichtaufbau erreicht, wie er insbesondere bei Präzisionsbeschichtungen auf optischen Schichtträgerflächen erforderlich ist. Auch kann entgegen einer zwangsläufig entstehenden Sandwich-Schicht bei der klassischen Beschichtungsgeometrie in einem Radialzug der Beschichtungseinrichtung eine Schicht ohne Mehrlagenaufbau erreicht werden.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß im geringen Abstand zu der zu beschichtenden Oberfläche eine über den Radius oder Durchmesser derselben bewegbare Beschichtungseinrichtung angeordnet ist, deren Bewegungsbahn im wesentlichen der Form der zu beschichtenden Oberfläche über deren Radius oder Durchmesser entspricht.

Als Beschichtungseinrichtung kann z. B. ein Widerstandsverdampfer eingesetzt werden, über den eine mit Ihm bewegbare Lochblende angeordnet sein kann.

In Ausgestaltung der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht die Erfindung vor, daß die Beschichtungseinrichtung als eine aus einer beweglichen Ionenstrahlquelle und einem Target bestehende Zerstäubungseinheit ausgebildet Ist, wobei die Ionenstrahlquelle am Rezipienten bewegbar engeflanscht ist und das Target im geringen Abstand zu der zu beschichtenden Oberfläche über deren Radius oder Durchmesser bewegbar angeordnet und in Abhängigkeit von dieser Bewegung und koordiniert mit der Bewegung der Ionenstrahlquelle schwenkbar ist. Damit kann auch das an sich bekannte Sekundärionenbeschichtungsverfahren mit seinen bekannten Vorteilen zur Durchführung des Verfahrens bei gekrümmten großen Schichtträgerflächen angewandt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist in Ausgestaltung der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen, daß die Beschichtungseinrichtung aus einer beweglichen Ionenstrahlquelle, einem feststehenden Verdampfer und einer über dem Verdampfer angeordneten beweglichen Lochblende besteht, wobei die Ionenstrahlquelle am Rezipienten bewegbar angeflanscht ist und die Lochblende im Abstand zu der zu beschichtenden Schicht über deren Radius oder Durchmesser in Abhängigkeit und koordiniert mit der Bewegung der Ionenstrahlquelle bewegbar ist und daß die Wirkungsquerschnitte über bzw. auf der Schichtträgerfläche von Dampfstrahl und Ionenstrahl stets örtlich und zeitlich übereinstimmen. Dies hat den Vorteil, daß hierbei eine Modifizierung der Eigenschaften der aufwachsenden Schicht erreicht werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispiolen erläutert. Es zeigen:

Flg. 1: schematisch eine mit einer über die zu beschichtende Oberfläche bewegbare Beschichtungseinrichtung Fig. 2: schematisch eine aus einer bewegbaren Ionenstrahlquelle und einem Target bestehende Zerstäubungseinrichtung Fig. 3: schematisch eine aus einer bewegbaren Ionenstrahlquelle, einem feststehenden Verdompfer und einer bewegbaren Lochblende bestehenden Beschichtungseinrichtung.

Des erfindungsgemäße Verfahren zur homogenen Schichtabscheidung auf einem großflächigen, rotierenden Substrat mit ebener oder gekrümmter Schichtträgorf lache oder auf eine Vielzahl kleiner, In z. B. kalottenförmigen Substrathaltern mit insgesamt großer Boschichtungafläche angeordneten Substraten sieht vor, daß das Teilchenangebot des Beschichtungematerials als definierter Strahl am äußeren oder Inneren Rand der gesamt zu beschichtenden Oberfläche oder in

deren Mittelpunkt auftrifft und der Strahl mit gleichbleibenden Parametern und unter definiertem Auftreffwinkel über den Radius oder Durchmesser der gesamt zu beschichtenden Oberfläche in Abhängigkeit vom Durchmesser der ?lhen und deren Rotationsgeschwindig'<eit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit geführt wird.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 1 ist derart gestaltet, daß in einem Rezipienten 1 ein großflächiges Substrat 2 mit gekrümmter Schichtträgerfläche 3 angeordnet ist, das in Rotation versetzt werden kann. Im geringen Abstand zu der zu beschichtenden Fläche ist eine Beschichtungseinrichtung 4 angeordnet, die eine Sputterquelle sein kann. Die Beschichtung;!«jinrchtung 4 ist mit gleichbleibenden Abstand zur Schichtträgerfläche 3 des Substrats 2 bewegbar, d. h. die Bewegungsbahn 5 entspricht der Form der Schichtträgerfläche 3 dos Substrats 2. Über der als Verdampfer ausgebildeten Beschichtungseinrichtung 4 ist eine Lochblende 6 angeordnet. Diese kann eine kreisrunde Ausnehmung in Form eines Loches aufweisen, jedoch kann die Ausnehmung auch anders gestaltet sein. Die Wirkungsweise ist folgende:

Das in den Rezipienten 1 eingebrachte Substrat 2 wird nach erfolgter Vakuumerzeugung in Rotation versetzt. Die mit einer nicht dargestellten Blende abgedeckte Beschichtungseinrichtung 4 in Form eines Verdampfers wird zur Wirkung gebracht. Spätestens nach Erreichung des gewünschten Dampfstromes wird der Verdampfer auf seiner Bewegungsbahn 5 in eine Stellung gebracht, daß nach Wegfahren der Blende der äußerste Rand 7 der Schichtträgerfläche 3 beschichtet wird. Danach fährt der Verdampfer entlang seiner Bewegungsbahn 5 in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Substrats 2 mit zunehmender Geschwindigkeit bis zum inneren Rand 8 der Schichtträgerfläche 3. Danach kann die Beschichtungseinrichtung 4 mit abnehmender Geschwindigkeit je nach gewünschtem Schichtaufbau zum äußeren Rand 7 der Schichtträgerfläche zurückgefahren werden. Jedoch ist es auch möglich, die Beschichtungseinrichtung 4 vom äußeren Sichtträgerrand 7 beginnend über den Durchmesser der Schichtträgerfläche 3 zu führen. Auch kann die Beschichtung am inneren Rand 8 der Schichtträgorf lache 3 beginnen und die Boschichtungseinrichtung zum äußeren Schichtträgerflächenrand 7 und falls gewünscht auch wieder zurückgeführt werden. Durch entsprechende Abstimmung der Geschwindigkeit der Beschichtungseinrichtung 4 auf seiner Bewegungsbahn 5 mit der Rotationsgeschwindigkeit des Substrats 2 kann eine sehr homogene, insbesondere optische Schicht erzielt werden.

Nach Fig. 2 ist zur Durchführung des Verfahrens in einem Rezipienten 1 ein großflächiges, drehbares Substrat 2 angeordnet und die Beschichtungseinrichtung als eine aus einer beweglichen Ionenstrahlquelle 10 und einem Target 11 bestehende Zerstäubungseinheit ausgebildet. Die Ionenstrahlquelle 10 ist am Rezipienten 1 bewegbar angeflanscht. Das Target 11 ist mittels eines Bewegungsmechanismusses 12 in geringem Abstand zur Schichtträgerfläche 3 auf einer der Schienttiägerflache 3 entsprochenden Bewegungsbahn 5 bewegbar angeordnet und mit Hilfe eines weiteren Bewegungsmechanismusses 13 in Abhängigkeit von seiner Bewegung auf der Bewegungsbahn 5 und koordiniert mit der Bewegung der Ionenstrahlquelle 10 schwenkbar. Die Wirkungsweise ist folgende:

Das Target 11 wird in den Bereich des Mittelpunktes der Schichtträgerfläche 3 gebracht, wobei die Ionenstrahlquelle 10 eine im wesentlichen waagerechte Stellung einnimmt. Nach Inbetriebnahme der Ionenstrahlquelle 10 trifft im Β^Γ·ι eich des Mittelpunktes der rotierenden Schichtträgerfläche 3 ein Materialstrom auf diese auf. Das Target 11 wird mittels des Bewegungsmechanismusses 12 in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Substrats mit abnehmender Geschwindigkeit auf seiner Bewegungsbahn 5 bis zum äußeren Rand 7 der Schichtträgerfläche 3 gefahren. Gleichzeitig werden die Ionenstrahlquelle 10 und das Target 11 mittels seines Bewegungsmechanismusses 13 derart koordiniert geschwenkt, daß der Materialstrom unter gleichem Winkel mit gleichbleibenden Parametern auf die Schichtträgerfläche 3 auftrifft. Je nach gewünschtem Schichtaufbau kann das Target 11 auf seiner Bewegungsbahn 5 den Radius der Schichtträgerfläche mehrmals überstreichen. Die Beschichtung kann auch am äußeren Schichtträgerflächenrand 7 begonnen werden. Auch kann das Target 11 auf seiner Bewegungsbahn 5 über den Durchmesser der Schichtträgerfläche 3 gefahren werden. Im Ergebnis der koordinierten Bewegungen der Schichtträgerflächen 3, des Targets 11 und der Ionenstrahlquelle 10 kann ein sehr homogener Schichtaufbau erreicht werden.

Die Fig. 3 zeigt eine Beschichtungseinrichtung zui Durchführung des Verfahrens, die aus einer beweglichen Ionenstrahlquelle 10, einem feststehenden Verdampfer 14 und einer über dem Verdampfer 14 angeordneten beweglichen Lochblende 15 besteht. Die Ionenstrahlquelle 10 ist am Rezipienten 1 bewegbar angeflanscht. Die Lochblende 15 ist mittels eines nicht dargestellten Bewegungsmechanismusses im Abstand zur ebenen Schichtträgerfläche 3 des Substrats 2 geradlinig über den Radius oder Durchmesser der Schichtträgerfläche 3 bewegbar, und zwar in Abhängigkeit und koordiniert mit der Bewegung der Ionenstrahlquelle 10 und der Rotationsgeschwindigkeit der Schichtträgerfläche 3 in der Weise, daß der Wirkungsquerschnitt des Dampfstrahles auf der Schichtträgerfläche 3 mit dem Wirkungsquerschnitt des Ionenstrahl^ auf der Schichtträgerfläche 3 örtlich und zeitlich übereinstimmt. Zu diesem Zweck ist vor der Ionenstrahlquelle eine weitere Lochblende 16 mit veränderbarem Wirkungsquerschnitt vorgesehen. Die Wirkungsweise dieser Beschichtungseinrichtung ist ähnlich der noch Fig. 1. Es kann ein sehr homogener Schichtaufbau erreicht werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich die Modifizierbarkeit der Eigenschaften der aufwachsenden Schicht.

Claims (4)

1. Patentansprüche: j

   1. Verfahren zur homogenen Schichtabscheidung auf einem großflächigen, rotierenden Substrat mit i ebener oder gekrümmter Schichtträgerfläche oder auf eine Vielzahl kleiner in z. B. kalottenförmigen j Substrathaltern mit insgesamt großer Beschichtungsfläche angeordneten Substraten mittels ' Beschichtungsverfahren, wie z. B. Verdampfung, Sputtern, lonenstrahlzerstaubung, in j Vakuumanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchenangebot des Beschichtungsmaterials j als definierter Strahl am äußeren oder inneren Rand der gesamt zu beschichtenden Oberfläche oder i in deren Mittelpunkt auftrifft und der Strahl mit gleichbleibenden Parametern und unter definiertem ' gleichbleibe· iden Auftreffwinkel über den Radius oder Durchmesser der gesamt zu beschichtenden j Fläche in Abhängigkeit vom Durchmesser derselben und deren Rotationsgeschwindigkeit mit
   unterschiedlicher Geschwindigkeit geführt wird.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im i geringen Abstand zu der zu beschichtenden Fläche (3) eine über den Radius oder Durchmesser [ derselben bewegbare Beschickungseinrichtung (4) angeordnet ist, deren Bewegungsbahn (5) im j wesentlichen der Form der zu beschichtenden Oberfläche (3) über deren Radius oder Durchmesser I entspricht. j
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungseinrichtung (4) als j eine aus einer beweglichen Ionenstrahlquelle (10) und einem Target (11) bestehenden'
   Zerstäubungseinheit ausgebildet ist, wobei die Ionenstrahlquelle (10) am Rezipienten (1) bewegbar
   angeflanscht ist und das Target (11) im geringen Abstand zu der zu beschichtenden Oberfläche (3) j über deren Radius oder Durchmesser bewegbar angeordnet und in Abhängigkeit von dieser Bewegung und koordiniert mit der Bewegung der Ionenstrahlquelle (10) schwenkbar (12; 13) ist. '
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungseinrichtung (4) aus I einer beweglichen Ionenstrahlquelle (10), einem feststehenden Verdampfer (14) und einer über I dem Verdampfer (14) angeordneten bew egiichen Lochblende (15) besteht, wobei die ' Ionenstrahlquelle (10) am Rezipienten (ι) bewegbar angeflanscht ist und die Lochblende (15) im
   Abstand zu der zu beschichtenden Oberfläche (3) über deren Radius oder Durchmesser in
   Abhängigkeit und koordiniert mit der Bewegung der Ionenstrahlquelle (10) bewegbar ist und daß j die Wirkungsquerschnitte über bzw. auf der Schichtträgerfläche (3) von Dampfstrahl und
   Ionenstrahl stets örtlich und zeitlich übereinstimmen.