DE102004006530B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Gasen bei Vakuumbeschichtungsprozessen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Einbringen von Gasen bei Vakuumbeschichtungsprozessen mittels einer Vorrichtung, umfassend einen Gaseinlass (7) in einen Rezipienten (1), ein an den Gaseinlass angeschlossenes Ventil (8) sowie eine Einrichtung (9) zum Steuern des Gasstromes durch das Ventil (8) in den Rezipienten (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) zum Steuern des Gasstromes durch das Ventil (8) ein Mittel (10) umfasst, mit welchem Steuerbefehle zum Öffnen und Schließen des Ventils (8) periodisch abwechselnd mit einer bestimmten Wechselfrequenz erteilt werden, wobei der Gasstrom durch das Ventil (8) in Abhängigkeit von der Zeitspanne der einzelnen Steuerbefehle zum Öffnen oder/und Schließen des Ventils eingestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Gasen bei Vakuumbeschichtungsprozessen.
• Bei Vakuumbeschichtungsprozessen werden Gase in Form von Inertgasen oder Reaktivgasen einem Rezipienten zugeführt, um einen gewünschten Beschichtungsvorgang zu ermöglichen. Je nach Beschichtungsverfahren wird dem Rezipienten ein Gas mit kontinuierlichem Gasstrom oder einem diskontinuierlichen Gasstrom in Abhängigkeit von einer Regelgröße zugeführt. Mit Hilfe von Ventilen ist es möglich, die in den Rezipienten strömende Gasmenge bzw. die Gasströme zu steuern.
• Es sind Gaseinlassventile bekannt, deren Durchflussöffnung mechanisch z.B. mittels Piezoelement, nachfolgend Piezoventil genannt, oder mittels Hubmagnet, nachfolgend Magnetventil genannt, eingestellt wird. Hauptsächlich werden zwei Arten von Ventilen unterschieden: Schaltventile und Regelventile.
• Mit bekannten Schaltventilen, bei denen nur zwei Betriebszustände („Auf" oder „Zu") einstellbar sind, lässt sich zwar eine Gasmenge regulieren, jedoch nicht der Gasstrom, der durch ein Ventil fließt. Regelventile, bei denen der Querschnitt der Durchflussöffnung stetig bis zum Maximum vergrößert bzw. bis zum vollständigen Schließen verkleinert werden kann, ermöglichen das Regulieren sowohl einer Gasmenge als auch des Gasstromes durch ein Ventil.
• Ein Nachteil bekannter Gaseinlassregelventile besteht darin, dass diese ein nichtlineares Stellverhalten aufweisen. Darunter ist zu verstehen, dass der Durchfluss durch ein derartiges Ventil nicht proportional zur angelegten elektrischen Ventilbetriebsspannung ist. Im Allgemeinen weisen Gaseinlassregelventile ein Hystereseverhalten auf, d.h. der sich auf eine angelegte Ventilbetriebsspannung einstellende Durchfluss hängt davon ab, ob die vorher angelegte Ventilbetriebsspannung größer oder kleiner war als die aktuelle Ventilbetriebsspannung. Eine mögliche Ursache hierfür sind Haftreibungseffekte an geführten Bauteilen eines Ventils.
• Ein weiterer Nachteil insbesondere bei Piezoventilen besteht in einer zeitlichen Drift des Durchflusses bei einer konstant anliegenden Ventilbetriebsspannung. Dieser auch als Ermüdung bezeichnete Effekt äußert sich dahingehend, dass sich im Laufe der Zeit, bei konstant anliegender Ventilbetriebsspannung, der Gasstrom durch ein Ventil verringert. Besonders nachteilhaft wirkt sich dieser Effekt bei stationären Vakuumbeschichtungsprozessen aus, bei denen zumindest ein annähernd konstanter Gasstrom eines Reaktivgases zum Abscheiden homogener Schichtdicken wünschenswert ist. Auf Grund des Ermüdungseffekts ist bei diesen Vakuumbeschichtungsprozessen das Vorhandensein einer Regelstrecke erforderlich, welche diesen Effekt ausgleicht.
• Bei CVD-(Chemical Vapor Deposition)-Prozessen ist es bekannt, ein Reaktivgas als gepulsten Gasstrom mit abwechselnd steigender und fallender Gasstromrichtung in eine Arbeitskammer einzulassen ( DE 197 43 922 C1 ). Hierdurch wird eine bessere Gasverwirbelung und Gasdurchmischung in der Arbeitskammer erzielt, woraus homogenere Schichteigenschaften insbesondere bei großflächig zu beschichtenden Substraten resultieren.
• Es ist ebenfalls bekannt, den Einlass eines Gases in eine Vakuumarbeitskammer in Abhängigkeit von einem aus der Gewichtskraft gewonnenen und differenzierten Signal derart zu regeln, dass das differenzierte Signal konstant gehalten wird ( DE 196 05 315 C1 ). Mit diesem Verfahren sind homogene Schichteigenschaften erzielbar, jedoch sind die hierfür erforderlichen Gewichtskraftsensoren temperaturempfindlich und erfordern deshalb einen zusätzlichen Aufwand hinsichtlich deren Kühlung. Mit beiden zuvor beschriebenen Vorgehensweisen ist das technische Problem der Hysterese und Ermüdung von Gasventilen nicht behebbar.
• Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Gasen bei Vakuumbeschichtungsprozessen zu schaffen, mittels derer Gasströme in einen Rezipienten ohne die nachteiligen Effekte wie Hysterese und Ermüdung gesteuert werden können.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Erfindungsgemäß wird bei Vakuumbeschichtungsprozessen ein an einen Gaseinlass eines Rezipienten angeschlossenes Ventil mittels einer Einrichtung derart angesteuert, dass Steuerbefehle zum Öffnen bzw. Schließen des Ventils periodisch abwechselnd mit einer bestimmten Frequenz, nachfolgend auch Wechselfrequenz genannt, erteilt werden, wobei der Gasstrom durch das Ventil in Abhängigkeit von der Zeitspanne der einzelnen Steuerbefehle zum Öffnen oder/und Schließen des Ventils eingestellt wird.
• Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht darin, dass zum Regeln eines Gasstromes beispielsweise auch preiswertere Piezoschaltventile verwendet werden können. Untersuchungen mit Schaltventilen haben überraschenderweise gezeigt, dass beim Anlegen einer Wechselfrequenz mit sich periodisch abwechselnden Befehlen zum Öffnen bzw. Schließen eines Ventils im Wesentlichen zwei Funktionsweisen des Ventils unterschieden werden können.
• Bei einer Wechselfrequenz von bis zu einigen Herz führt das Anlegen der jeweiligen Schaltbefehle zum vollständigen Öffnen bzw. Schließen des Ventils. Ein Gasstrom durch das Ventil wird somit bildlich gesehen in einzelne Portionen zerhackt. Der Gasstrom in einen Rezipienten lässt sich somit über die Länge der einzelnen Portionen bzw. über die Lücken zwischen den Portionen kontinuierlich steuern.
• Wird die Wechselfrequenz der Schaltbefehle stetig erhöht, führt dies ab einer bestimmten Grenzfrequenz nicht mehr zum vollständigen Öffnen und Schließen des Ventils. Stattdessen stellt sich ein Schwingungsverhalten des Ventilmechanismus bezüglich des Durchflussquerschnitts dahingehend ein, dass der Querschnitt der Durchflussöffnung des Ventils beim Schließen nicht mehr Null erreicht und auch nicht mehr den Maximalquerschnitt wie beim vollständig geöffneten Ventil. Daraus resultiert ein ständiger, jedoch zunächst pulsierender Gasfluss durch dass Ventil. Die Grenzfrequenz eines Ventils ist dabei im Wesentlichen abhängig vom Trägheitsverhalten des jeweiligen Ventilmechanismus.
• Ein weiteres Erhöhen der Wechselfrequenz der Schaltbefehle bewirkt ein Reduzieren der Schwingungsamplitude des Ventilmechanismus und somit ein Glätten des pulsierenden Gasflusses bis ein quasikontinuierlicher Gasstrom durch das Ventil entsteht. Die Stärke dieses quasikontinuierlichen Gasstromes in den Rezipienten wird vorzugsweise bei konstanter Wechselfrequenz wieder über die Zeitdauer der Schaltbefehle zum Öffnen bzw. Schließen des Ventils eingestellt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Stärke des Gasstromes durch das Ventil über die Wechselfrequenz der Schaltbefehle oder/und über die Amplitude der Schaltbefehle mit zu beeinflussen.
• Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht sowohl den Einsatz von Regelventilen als auch von Schaltventilen, deren Durchflussöffnungen beispielsweise mittels Piezoelement oder Hubmagnet eingestellt werden, um den Gasfluss in einen Rezipienten zu steuern. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass Hystereseeffekte und Ermüdungsverhalten von Ventilen keinen Einfluss beim Regeln des Gasstromes durch ein Ventil ausüben. Stattdessen ist sogar bei Schaltventilen ein linearer Zusammenhang zwischen Stellgröße und Gasdurchfluss herstellbar.
• Befürchtungen dahingehend, dass die von einem Ventilhersteller angegebene maximale Anzahl der Schaltspiele bei erfindungsgemäßer Anwendung bereits nach wenigen Stunden erreicht und somit die Lebensdauer eines Ventils beendet sein könnte, haben sich nicht bewahrheitet. Vielmehr haben Untersuchungen überraschenderweise gezeigt, dass die Lebensdauer eines Ventils bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise ein Vielfaches der von einem Ventilhersteller angegebenen maximalen Anzahl von Schaltspielen beträgt. Als Ursache wird hiefür vermutet, dass bei erfindungsgemäßer Verwendung eines Ventils die Zyklen des Öffnens und Schließens des Ventils nicht vollständig durchlaufen werden.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung zum Steuern des Gasstromes eine Pulsweitenmodulations-Einrichtung. Mit einer Pulsweitenmodulations-Einrichtung ist es möglich, die Steuerbefehle zum Öffnen bzw. Schließen eines Ventils in Form einer gepulsten Spannung an ein Ventil abzugeben. Dabei wird die Stärke des Gasstromes durch das Ventil über die Länge der Spannungspulse bzw. über die Länge der Pulspausen eingestellt. Eine Pulsweitenmodulations-Einrichtung kann einfach in eine bekannte Vakuumbeschichtungseinrichtung integriert werden, weil diese als Eingangssignal die bisher verwendeten Signale zum Ansteuern bekannter Regelventile auswerten kann. Gegebenenfalls kann es erforderlich sein, eine separate Stromversorgungseinrichtung für eine oder mehrere Pulsweitenmodulations-Einrichtung/en zu installieren.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einbringen eines Reaktivgases in den Rezipienten einer Vakuumbeschichtungseinrichtung.
• In 1 ist ein Rezipient 1 dargestellt, in welchem ein Glassubstrat 2 mittels reaktiver Abscheidung nach Zerstäubung eines Aluminiumtargets 3 mit Aluminiumoxid beschichtet werden soll. Das Aluminiumtarget 3 wird durch eine Stromversorgungseinrichtung 4 mit elektrischer Energie versorgt. Durch einen Gaseinlass 5 strömt Argon als Inertgas in den Rezipienten 1 und wird durch ein Pumpsystem 6 wieder aus diesem geführt. Als Reaktivgas wird Sauerstoff durch einen Gaseinlass 7 in den Rezipienten gelassen.
• Ziel des Beschichtungsvorgangs ist es, eine Aluminiumoxidschicht mit homogener Dicke auf dem Glassubstrat 2 abzuscheiden. Dazu ist es erforderlich, die Abscheidungsparameter während des Beschichtungsvorgangs weitestgehend konstant zu halten. Als Regelgröße dient hierbei die Katodenspannung am Aluminiumtarget 3, d.h. der Beschichtungsvorgang ist derart durchzuführen, dass die Katodenspannung am Aluminiumtarget 3 während der Beschichtung möglichst nicht von einem vorgegebenen Sollwert abweicht. Bei fortschreitendem Beschichtungsvorgang bewirkt jedoch beispielsweise Targeterosion das Verändern der Katodenspannung. Zumindest ein Prozessparameter muss demzufolge nachgeregelt werden. Als Stellgröße für diesen Regelvorgang wird der Strom des Reaktiv gases Sauerstoff durch ein Ventil 8 in den Rezipienten 1 gesteuert. Ein Mehr an Sauerstoff im Rezipienten bewirkt hierbei das Sinken der Katodenspannung bzw. weniger Sauerstoff führt zum Steigen der Katodenspannung.
• Dazu erfasst die Stromversorgungseinrichtung 4 den jeweils aktuellen Wert der Spannung am Aluminiumtarget 3 und leitet diesen an eine Steuereinrichtung 9 weiter. Dort erfolgt ein Abgleich des aktuellen Spannungswertes mit dem Spannungssollwert. Die Differenz wird an eine Pulsweitenmodulations-Einrichtung 10 innerhalb der Steuereinrichtung 9 weitergeleitet und dort in ein Stellsignal für das Ventil 8 umgesetzt.
• Das Ventil 8 ist als Piezoventil ausgebildet und wird üben die Pulsweitenmodulations-Einrichtung 10 mit einer vorzugsweise konstanten Frequenz sich periodisch abwechselnder Steuerbefehle zum Öffnen bzw. Schließen des Piezoventils 8 angesteuert. Dazu gibt die Pulsweitenmodulations-Einrichtung am Ausgang eine gepulste Spannung mit konstanter Frequenz an das Piezoventil 8 ab. Die Frequenz der gepulsten Spannung befindet sich vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 1 kHz. Bei einer derartigen Frequenz vollzieht das Piezoventil 8 keine vollständigen Zyklen zum Öffnen bzw. Schließen des Ventilmechanismus. Vielmehr ermöglicht diese Wechselfrequenz einen quasikontinuierlichen Gasstrom durch das Ventil. Die Stärke des Gasstromes durch das Piezoventil 8 wird von der Pulsweitenmodulations-Einrichtung über die Länge der Spannungspulse bzw. über die Länge der Pulspausen eingestellt. So bewirkt das Verlängern der Spannungspulse, was bei konstanter Wechselfrequenz das Verkürzen der Pulspausen zur Folge hat, einen stärkeren Gasstrom durch das Piezoventil 8. Analog resultiert aus dem Verkürzen der Spannungspulse ein geringerer Gasstrom durch das Piezoventil 8.
• Die Höhe der Wechselfrequenz ist u.a. abhängig von den Prozessreaktionszeiten, d.h. von der Trägheit des Regelkreises. So ist die Wechselfrequenz um so höher zu wählen, je geringer die Trägheit eines Regelkreises ist.

Claims (8)

1. Verfahren zum Einbringen von Gasen bei Vakuumbeschichtungsprozessen mittels einer Vorrichtung, umfassend einen Gaseinlass (7) in einen Rezipienten (1), ein an den Gaseinlass angeschlossenes Ventil (8) sowie eine Einrichtung (9) zum Steuern des Gasstromes durch das Ventil (8) in den Rezipienten (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) zum Steuern des Gasstromes durch das Ventil (8) ein Mittel (10) umfasst, mit welchem Steuerbefehle zum Öffnen und Schließen des Ventils (8) periodisch abwechselnd mit einer bestimmten Wechselfrequenz erteilt werden, wobei der Gasstrom durch das Ventil (8) in Abhängigkeit von der Zeitspanne der einzelnen Steuerbefehle zum Öffnen oder/und Schließen des Ventils eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselfrequenz oder/und die Amplitude der Steuerbefehle verändert wird/werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselfrequenz in einem Bereich von 0,5 bis 1 kHz liegt.
4. Vorrichtung zum Einbringen von Gasen bei Vakuumbeschichtungsprozessen, umfassend einen Gaseinlass (7) in einen Rezipienten (1), ein an den Gaseinlass angeschlossenes Ventil (8), eine Einrichtung (9) zum Steuern des Gasstromes durch das Ventil (8) in den Rezipienten (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) zum Steuern des Gasstromes durch das Ventil (8) ein Mittel (10) umfasst, mit welchem Steuerbefehle zum Öffnen und Schließen des Ventils (8) periodisch abwechselnd mit einer bestimmten Wechselfrequenz erteilbar sind, wobei der Gasstrom durch das Ventil (8) in Abhängigkeit von der Zeitspanne der einzelnen Steuerbefehle zum Öffnen oder/und Schließen des Ventils einstellbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (8) als Piezoventil ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (8) als Magnetventil ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (8) das Einlassventil eines Reaktivgases ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (10) als Pulsweitenmodulations-Einrichtung ausgebildet ist.