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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem und, im Speziellen, auf die Steuerung der Verdampfungsquelle in einem solchen Ablagerungssystem.
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Hintergrund der Erfindung
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Mehrschichtige Dünnfilmstrukturen, die auf einem Substrat abgelagert werden, werden in mikroelektronischen Anwendungen und in optischen Anwendungen, wie z.B. in Fabry-Perot-Filtern, auf breiter Front verwendet. Die Schichten können Metalle oder anorganische Nicht-Metalle sein. Bei einem Vorgehen, um mehrschichtige Dünnfilmstrukturen herzustellen, werden mehrere Verdampfungsquellen in eine Vakuumkammer gebracht, wobei jede Verdampfungsquelle eine Sichtlinie zum Substrat hat. Eine Vielzahl von dünnen Schichten mit verschiedenen Zusammensetzungen werden nacheinander auf das Substrat von den verschiedenen Verdampfungsquellen abgelagert.
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Bei Materialien, die bezogen auf die Verdampfung instabil sind (verdampfungsinstabil), ist es besonders schwierig, diese in kontrollierter Art und Weise zu verdampfen und auf dem Substrat abzulagern. Solche Materialien sind instabil, weil sie z.B. eine schnelle und/oder nicht-lineare Änderung bei der Verdampfungsrate in Abhängigkeit von der zugeführten Leistung zeigen, weil sie sublimieren oder weil sie einen geringen Unterschied zwischen der Schmelztemperatur und der Verdampfungstemperatur haben. Viele wichtige Materialien, die bezogen auf die Verdampfung instabil sind, sind anorganische Nicht-Metalle, wie z.B. Glasarten, Keramikarten oder Halbleiter.
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Ein bekanntes Vorgehen, um Materialien abzulagern, die bezogen auf die Verdampfung instabil sind, ist die Verwendung von Wärmequellen, wobei das verdampfungsinstabile Material in einem Schmelztiegel positioniert wird, der auf eine ausreichend hohe Temperatur aufgeheizt wird, um zu erreichen, dass das verdampfungsinstabile Material verdampft und zum Substrat gelangt. Solche Wärmequellen sind bei der Ablagerung von Dickfilmen verwendbar und sehr nützlich, aber es ist schwer, sie bei den stets wechselnden Bedingungen bei der Dünnfilm-Ablagerung und bei vielen verdampfungsinstabilen Materialien zu verwenden.
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Eine Alternative ist es, die Elektronenstrahl-Verdampfung zu verwenden. Bei einem Elektronenstrahl-Ablagerungssystem gehört zu einer Verdampfungsquelle ein Ablagerungsmaterial und eine steuerbare Elektronenstrahlquelle, die einen Elektronenstrahl auf die freiliegende Oberfläche des Ablagerungsmaterials lenkt. Der Elektronenstrahl heizt die Oberfläche des Ablagerungsmaterials auf, so dass es nach und nach verdampft und auf dem Substrat abgelagert wird. Mit der Zeit erhöht sich die Dicke der Ablagerung auf einen gewünschten Wert. Für die Dünnfilm-Ablagerung hat die Elektronenstrahl-Ablagerung den Vorteil, dass die Verdampfung schnell startet und schnell beendet werden kann, indem man die Leistung und den Ort des Strahls steuert.
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Die Elektronenstrahl-Verdampfung kann jedoch schwer zu steuern sein, insbesondere bei der Ablagerung von verdampfungsinstabilen Materialien, wie z.B. einige anorganische nicht-metallische Materialien. Der gewöhnliche Ansatz der Steuerung ist es, die Dicke des abgelagerten Films auf einem überwachten Substrat kontinuierlich zu überwachen, wobei das überwachte Substrat verschieden von dem Substrat des tatsächlich hergestellten Gegenstands ist. Die Änderung der Dicke wird verwendet, um die Leistungszuführung an die Elektronenstrahlquelle zu steuern, die die nachfolgende Verdampfungsrate bestimmt. Obwohl dieser Ansatz für metallische Materialien erfolgreich eingesetzt wurde, hat er Nachteile für die Ablagerung von verdampfungsinstabilen Materialien. Solche Materialien zeigen ein instabiles Verhalten bei dem Ablagerungsprozess und bei der Ablagerungsrate, so dass eine Steuerung, die auf der Dickenmessung der Ablagerung auf dem überwachten Substrat beruht, zu einer falschen Dicke auf dem tatsächlich gefertigten Gegenstand führen kann.
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DE 693 09 505 T2 offenbart eine Einrichtung zum Bilden eines mehrschichtigen Films mit einem die Dicke steuernden Mittel zum Steuern einer Dicke oder einer optischen Filmdicke jeder der Schichten des mehrschichtigen Films, wobei zusätzlich zu dem die Dicke jeder einzelnen Schicht steuernden Mittel ein getrenntes Mehrschicht-Kontrollmittel vorgesehen ist mit einem Mehrschichtfilm-Kontrollsubstrat, auf dem der mehrschichtige Film gebildet wird, einem Messmittel zum Messen optischer Eigenschaften des mehrschichtigen Films, der sich auf dem Mehrschichtfilm-Kontrollsubstrat bildet, und einem Verarbeitungsmittel, das über das Messmittel erzielte Ergebnisse verarbeitet, um die verarbeiteten Ergebnisse an das die Dicke steuernde Mittel zurückzuführen.
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DE 21 49 234 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektroskopischen Überwachung der Dichte eines in einem Elektronenstrahlofen erzeugten Dampfes, wobei für die Erhitzung einer Dampfquelle ein Elektronenstrahl verwendet wird, wobei auf einer Seite des Dampfes Licht erzeugt wird und das in einem von dem Elektronenstrahl weitgehend abgesetzten Bereich die stärkere des Lichtes bei einer Wellenlänge ermittelt wird, die der Absorptionswellenlänge eines ausgewählten Materials in dem betreffenden Dampf entspricht.
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DE 39 21 040 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der durch einen Teilchenstrahl von einem Zielobjekt verdampften Partikelmenge pro Zeiteinheit, insbesondere durch einen Strahl geladener Teilchen, insbesondere einem Elektronenstrahl, bei dem die Ausdehnung der Auftreff-Fläche des Strahls auf dem Zielobjekt verändert wird, wobei man die Ausdehnung der Auftreff-Fläche mindestens im Wesentlichen entkoppelt von ihrer Lage und dem Messsturm des Strahls ansteuert.
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US 4 582 431 A offenbart einen optischen Monitor zur Zusammenwirkung mit Kammermitteln, in denen transparente Filme mit Hilfe des optischen Monitors über optischen Elementen aufgebracht wird, wobei der optische Monitor dazu geeignet ist, optische Dichtemessungen des transparenten Films durchzuführen.
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DE 24 60 827 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Schicht für die Fertigung von Gasentladungsanzeigetafeln, bei denen die Tafel aus Glassubstrat besteht, die an ihrer Oberfläche eine Metallisierung aufweisen, die durch eine dielektrische Schicht überzogen werden soll.
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DE 42 35 200 C1 offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren zur Prozessstabilisierung beim Elektronenstrahlverdampfen, insbesondere von Metallen und Verbindungen mit hoher Verdampfungsrate, gegebenenfalls bei Einlass eines reaktiven Gases, unter Verwendung einer Elektronenkanone vom Axialtyp, wobei an mindestens zwei Orten in einem zwischen dem Verdampfungsgut und dem zu beschichtenden Substrat liegenden Dampfausbreitungsraum und in mindestens einem Bereich der Oberfläche des Verdampfungsgutes die Intensität mindestens einer Spektrallinie oder mindestens eines begrenzten Spektralbereichs aus dem Wellenlängenbereich zwischen 0,1 µm und 1 µm, der durch direkte Wechselwirkung des von der Elektronenkanone erzeugten Elektronenstrahles mit dem Dampf und gegebenenfalls dem reaktiven Gas emittierten Strahlung erfasst und zu einem Gesamtsignal verknüpft wird.
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US 2003/0193010 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren von Materialablagerungen und Abschälungen in einem System, insbesondere einer Plasmaprozessierungskammer, umfassend eine Vielzahl von optischen Sensoren in der Kammer über einer Gasverteilungsplatte oder einer anderen Oberfläche innerhalb der Kammer. Die optischen Sensoren sind verbunden mit einem Zentralprozessierungssteuergerät, das dazu geeignet ist, das Betreiben der Kammer zu beenden, wobei das Zentralprozessierungssteuergerät mit einer Alarmeinheit ausgestattet werden kann.
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Es besteht Bedarf für ein besseres Vorgehen für die Ablagerung von verdampfungsinstabilen Materialien um Dünnfilmstrukturen herzustellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und offeriert in diesem Zusammenhang weitere Vorteile.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem mit einer verbesserten Steuereinrichtung bereit, die eine sehr präzise Steuerung der Verdampfung erreicht. Dieser Ansatz lässt sich bei allen verdampfbaren Materialien verwenden, aber lässt sich besonders vorteilhaft einsetzen, um verdampfungsinstabile nicht-metallische Materialien, wie z.B. potenziell instabile Keramiken, Glas und Halbleiter für mehrschichtige dünne Filme zu verdampfen.
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Mit Hinblick auf die Erfindung weist ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem eine Verdampfungsquelle auf, die ein Quellenziel mit einem Zielort, an dem ein Ablagerungsmaterial positioniert werden kann, und eine steuerbare Elektronenstrahlquelle hat, die angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl auf den Zielort zu lenken. (Unter dem Quellenziel ist der Ort zu verstehen, auf den die Elektronenstrahlquelle gerichtet ist bzw. zielt.) Eine Überwachungseinrichtung für einen nachlaufenden Indikator misst die zurückliegende Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle und hat ein Ausgangssignal für den nachlaufenden Indikator. Die Überwachungseinrichtung für den nachlaufenden Indikator ist vorzugsweise eine Ablagerungsüberwachungseinrichtung, die eine Ablagerung des Ablagerungsmaterials auf einem überwachten Substrat misst. Das Elektronenstrahl-Ablagerungssystem hat außerdem eine Überwachungseinrichtung für einen vorlaufenden Indikator, der die zukünftige Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle in der nahen Zukunft anzeigt, und ein Ausgangssignal für den vorlaufenden Indikator hat. Die Überwachungseinrichtung für den vorlaufenden Indikator ist vorzugsweise eine Helligkeitsüberwachungseinrichtung, die eine Helligkeit des Ablagerungsmaterials in der Verdampfungsquelle misst. Eine Steuereinrichtung empfängt das Ausgangssignal des nachlaufenden Indikators und das Ausgangssignal des vorlaufenden Indikators und steuert die Elektronenstrahlquelle in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des nachlaufenden Indikators und von dem Ausgangssignal des vorlaufenden Indikators. Die Steuereinrichtung steuert bevorzugt eine Größe des Flecks (spot size) und eine Position des Elektronenstrahls auf dem Zielort. (Die Größe des Flecks des Elektronenstrahls bezieht sich auf den Punkt seines Auftreffens auf dem Zielort.)
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Das aufgezeigte Vorgehen wird am vorteilhaftesten verwendet bei der Ablagerung von einem anorganischen Nicht-Metall, wie z.B. einer Keramik, einem Glas oder einem Halbleiter, obwohl das Vorgehen darauf nicht beschränkt ist und allgemeiner anwendbar ist. Viele solcher anorganischen Nicht-Metalle sind verdampfungsinstabil, so dass die Vorteile des vorliegenden Vorgehens für diese Materialien am größten sind.
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Die Steuerungseinrichtung steuert die Elektronenstrahlquelle vorzugsweise in Abhängigkeit von einer zeitlichen Änderungsrate des Ausgangssignals des vorlaufenden Indikators, statt in Abhängigkeit von seinem absoluten Wert. Die zeitliche Änderungsrate des vorlaufenden Indikators ist ein empfindliches Maß für seinen zeitlich nahe liegenden, zukünftigen Wert. Die Steuereinrichtung kann die Elektronenstrahlquelle optional in Abhängigkeit von einer logarithmischen Funktion einer zeitlichen Änderungsrate des Ausgangssignals des nachlaufenden Indikators und/oder einer logarithmischen Funktion des Ausgangssignals des nachlaufenden Indikators steuern. Die Verwendung der logarithmischen Funktion, die auf einfache Weise durch die Verwendung eines logarithmischen Verstärkers erzielt werden kann, linearisiert wirksam die Skala und erlaubt eine stabile Steuerung in einem breiten Bereich von Werten.
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Das hier gezeigte Vorgehen kann durch die Verwendung von Lichtfasertechniken implementiert werden. Bei diesem Vorgehen weist das Elektronenstrahl-Ablagerungssystem ein Lichtfaserbündel mit einem ersten Lichtfaserteilbündel und einem zweiten Lichtfaserteilbündel auf. Die Überwachungseinrichtung für den nachlaufenden Indikator weist das erste Lichtfaserteilbündel auf, das ein optisches Dickensignal (thickness optical signal) von dem überwachten Substrat empfängt in Abhängigkeit von einer Dicke von einer Ablagerung des Ablagerungsmaterials auf dem überwachten Substrat. Es handelt sich bei dem optischen Dickensignal also um ein Signal, das die Dicke der Ablagerung repräsentiert. Die Überwachungseinrichtung für den vorlaufenden Indikator weist das zweite Lichtfaserteilbündel auf, das ein optisches Helligkeitssignal empfängt in Abhängigkeit von einer Helligkeit des Ablagerungsmaterials in der Verdampfungsquelle.
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Das gezeigte Vorgehen bei der Steuerung basiert auf der Verwendung sowohl von nachlaufenden als auch von vorlaufenden Indikatoren der Verdampfungsleistung, um die Elektronenstrahlquelle der Verdampfungsquelle zu steuern. Der nachlaufende Indikator ist vorzugsweise als die Ablagerungsrate des verdampften Ablagerungsmaterials auf dem überwachten Substrat gewählt. Die Information, die aus der tatsächlichen Ablagerungsrate gewonnen wurde, repräsentiert die Ablagerungsrate zu einem früheren Zeitpunkt, der bezüglich der aktuellen Ablagerung um eine halbe bis eine Sekunde verschoben ist. Obwohl diese Zeitverschiebung nicht groß ist, hat die Erfahrung gezeigt, dass Versuche, die Ablagerung von potenziell instabilen nichtleitenden Nicht-Metallen nur auf der Grundlage dieses nachlaufenden Indikators zu steuern, zu nicht zufrieden stellenden Ergebnissen führen.
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Das hier gezeigte Vorgehen verwendet daher auch den vorlaufenden Indikator. Der vorlaufende Indikator ist ein Vorhersagewert (predictor) der Ablagerungsrate in der nahen Zukunft. Der ausgewählte und bevorzugte vorlaufende Indikator ist die Helligkeit der Oberfläche des Ablagerungsmaterials, das verdampft wird. Die Helligkeit von der Oberfläche ist eine Funktion der Temperatur der Oberfläche, und die Verdampfungsrate von der Oberfläche ist auch eine Funktion von der Temperatur der Oberfläche. Wo sich die Helligkeit ändert, folgt die Änderung der Verdampfungsrate der Helligkeitsänderung ein bisschen, so dass die Helligkeitsänderung einen vorlaufenden Indikator für die Verdampfungsrate bereitstellt, die in Kürze zu beobachten sein wird. Daher kann durch die Messung der Helligkeit der Oberfläche die nachfolgende Verdampfungsrate vorhergesagt werden. Indem man die Helligkeit der Oberfläche ändert, kann die nachfolgende Verdampfungsrate so verändert werden, dass ein Sollwert der Verdampfungsrate gehalten wird.
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Anders formuliert bedeutet dies, dass durch die Verwendung des nachlaufenden Indikators für den absoluten Wert der Verdampfungsrate und des vorlaufenden Indikators für Änderungen des absoluten Werts der Ablagerungsrate eine bessere Steuerung der Ablagerungsrate erreicht wird. Diese Steuerung erlaubt es, dass sich instabile Zustände schnell korrigieren lassen, was zu einem stabileren Verdampfungssystem führt. Daher können potenziell instabile nicht-leitende Materialien in einer genau kontrollierten Art und Weise verdampft werden.
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Die Steuereinrichtung steuert vorzugsweise die Größe des Flecks des Elektronenstrahls auf dem Ziel. Die Größe des Flecks, kann schnell und präzise moduliert werden, wodurch eine dynamische Änderung in der Verdampfungsrate erzielt wird. Eine Reduzierung der Größe des Flecks ohne den Leistungspegel zu ändern, erhöht die Leistungsdichte auf dem Zielort, wodurch die Verdampfungsrate unverhältnismäßig zur Reduzierung der Größe des Flecks erhöht wird. Eine Erhöhung der Größe des Flecks reduziert die Verdampfungsrate in ähnlicher Art und Weise. Daher, obgleich der Leistungspegel des Elektronenstrahls geändert werden kann, dauert es bei dieser Änderung länger, dass sich ein Effekt bei der Verdampfungsrate einstellt, als es bei der Änderung der Größe des Flecks der Fall ist. Die Verwendung des vorlaufenden Indikators und des nachlaufenden Indikators in dem Steuerungssystem in Verbindung mit der Modulation des Elektronenstrahldurchmessers ermöglicht es, die Ablagerung von Ablagerungsmaterial präzise zu steuern, selbst für verdampfungsinstabile Materialien.
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Zusätzlich steuert die Steuereinrichtung vorzugsweise den Ort des Elektronenstrahls auf dem Quellenziel. Eines der Probleme, die man bei der konventionellen Elektronenstrahl-Ablagerung von einigen anorganischen nicht-metallischen Materialien, wie z.B. Quarz, bemerkt hat, ist, dass sich nach einer Zeitdauer der Ablagerung eine uneinheitliche/unregelmäßige Oberfläche auf dem Quellenziel ergibt. Wellungen und andere Unregelmäßigkeiten auf der Zieloberfläche, die im Zusammenhang mit Instabilitäten bei der Verdampfung stehen, führen zu Änderungen bei der Rate und bei den Eigenschaften der abgelagerten Schichten. Bei dem vorliegenden Vorgehen wird die Stelle des Elektronenstrahls auf dem Quellenziel bewegt, um eine relativ flache Oberfläche auf dem Quellenziel zu erreichen. Die entstehende Dampffahne (plume) aus verdampftem Material ist daher stabiler im Vergleich zu früheren Vorgehensweisen. Die Ablagerungsoberfläche ist üblicherweise für das Auge auch ohne Unterstützung sichtbar, so dass das Beibehalten der Oberflächenform und die Flachheit der Ablagerungsoberfläche überprüft werden kann. Quantitative Techniken können auch verwendet werden, wenn gewünscht. Das Quellenziel kann mechanisch rotiert werden, um diese Steuerung zu unterstützen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierteren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor, in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, die in der Art eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung zeigen. Der Bereich der Erfindung ist aber nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Elektronenstrahl-Ablagerungssystems im Hinblick auf das vorliegende Vorgehen;
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Elektronenstrahl-Ablagerungssystems im Hinblick auf das vorliegende Vorgehen;
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Verdampfungsquelle; und
- 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Vorgehens zur Steuerung der Elektronenstrahl-Ablagerungssysteme gemäß der 1 und 2.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 und 2 stellen zwei Ausführungsbeispiele eines Elektronenstrahl-Ablagerungssystems 20 dar. Die zwei Elektronenstrahl-Ablagerungssysteme 20 sind sich ähnlich. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf beide, ausgenommen jener Unterschiede, die hier noch erläutert werden.
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Eine Verdampfungsquelle 22 hat ein Quellenziel 23 mit einem Zielort 24, an dem ein Ablagerungsmaterial 26 positioniert werden kann. Das Ablagerungsmaterial 26 kann ein Metall oder ein Nicht-Metall sein. Es ist bevorzugt, dass das Ablagerungsmaterial 26 ein anorganisches Nicht-Metall ist, wie z.B. eine Keramik, ein Glas oder ein Halbleiter. Die gezeigte Vorgehensweise lässt sich sowohl bei Metallen als auch bei Nicht-Metallen anwenden, und zudem bei elektrischen Leitern und Nicht-Leitern, aber seine größten Vorteile können genutzt werden, wo das Ablagerungsmaterial 26 ein anorganisches nicht-metallisches Material und von relativ geringer elektrischer Leitfähigkeit ist. Dies ist darin begründet, dass solche Materialien dazu tendieren, besonders empfänglich für die Instabilitäten bei der Verdampfung während der Elektronenstrahl-Ablagerung zu sein, die durch die vorliegende Vorgehensweise überwunden werden. Die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit kann Probleme hervorrufen, wo - wie beispielsweise mit Siliziumdioxid als Ablagerungsmaterial 26 - die elektrische Leitfähigkeit sehr gering ist, wenn das Siliziumdioxid fest ist, aber plötzlich sehr groß wird, wenn die Verdampfung beginnt. Auch eine geringe thermische Leitfähigkeit ruft Probleme hervor, weil es dort nur eine geringe Vorwärmung von naheliegenden Bereichen des Ablagerungsmaterials 26 vor ihrer Verdampfung gibt. Zu solchen Instabilitäten zählt man z.B. große Änderungen der Verdampfungsrate bei kleinen Änderungen des Leistungspegels der Verdampfung und Unregelmäßigkeiten der Oberfläche des Ablagerungsmaterials 26 am Zielort 24, die zu räumlichen Ungleichmäßigkeiten bei den abgelagerten Schichten führen. Bei einer höchst interessanten Anwendung ist das Ablagerungsmaterial 26 Quarz, bei dem es sich um ein anorganisches Nicht-Metall handelt, das sehr nützlich und gebräuchlich bei Anwendungen für mehrschichtige Dünnfilme ist, das aber mittels konventioneller Techniken der Elektronenstrahl-Ablagerung schwer abzulagern ist.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, und mit mehr Detail in der 3, hat die Verdampfungsquelle 22 des Weiteren eine steuerbare Elektronenstrahlquelle 28, die angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl 30 auf den Zielort 24 auf dem Quellenziel 23 zu lenken und damit auf das Ablagerungsmaterial 26, wenn es sich am Zielort 24 befindet. Wenn der Elektronenstrahl 30 mit ausreichender Energie auf das Ablagerungsmaterial 26 auftrifft, wird ein Bereich der Oberfläche des Ablagerungsmaterials 26 erhitzt, verdampft als Verdampfungsstrahl 32 und lagert sich auf einem Substrat 34 ab (und auch anderswo). Wie in der 3 gezeigt, hat die Elektronenstrahlquelle 28 einen steuerbaren Kathodendraht 100 (filament), der erhitzt wird, um Elektronen zu erzeugen, die von dem Feld einer steuerbaren Anode 102 beschleunigt werden. Der beschleunigte Elektronenstrahl 30 wird von einem magnetischen Feld gelenkt und geformt, das von steuerbaren elektrischen Feldplatten 104 erzeugt wird. Der Elektronenstrahl 30, der durch eine Öffnung in der Anode 102 hindurch gelangt, wird auf den Zielort 24 gelenkt, bei der hier dargestellten Art der Elektronenstrahlquelle 28 entlang eines Bogens von 270° durch die steuerbaren elektrischen Feldplatten 104. Bei anderen Aufbauten kann der Elektronenstrahl in einem Bogen von 180° gelenkt werden oder in einem anderen Winkel. Die Form und der Durchmesser des Elektronenstrahls 30 werden auch von den Feldplatten 104 gesteuert, um einen Elektronenstrahlfleck 106 auf dem Zielort 24 mit einer Größe des Elektronenstrahlflecks (d.h. der Fläche des Flecks) auf dem Zielort 24. Die Feldplatten 104 können demnach gesteuert mit Energie beaufschlagt werden, um den Ort des Flecks 106 und seine Fleckgröße zu steuern. Elektronenstrahlquellen 28 dieser Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und im Handel erhältlich, wie beispielsweise der ESV 14/Q Elektronenstrahl-Verdampfer von der Leybold AG und der ESQ212 von Balzers. Solche Elektronenstrahlquellen 28 sind jedoch bislang nicht in der hier erläuterten Art und Weise gesteuert worden.
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Die Verdampfungsquelle 22 und das Substrat 34 sind in einer Vakuumkammer 36 eingeschlossen, die mittels einer Vakuumpumpe 38 evakuiert wird.
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Das Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 weist ferner eine Überwachungseinrichtung 40 für einen nachlaufenden Indikator auf, die die zurückliegende Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle 22 misst und ein Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator hat. Die Überwachungseinrichtung 40 für den nachlaufenden Indikator ist vorzugsweise eine Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44, die eine Ablagerung des Ablagerungsmaterials 26 auf einem überwachten Substrat 46 misst. Das überwachte Substrat 46 befindet sich innerhalb der Vakuumkammer 36 und wird räumlich nahe an dem Substrat 34 positioniert, so dass der Ablagerungsstrahl 32 sowohl auf das überwachte Substrat 46 als auch auf das Substrat 34 auftrifft. 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele der Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44, wobei jedes von beiden zufrieden stellend für die hier gezeigte Vorgehensweise verwendet werden kann.
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Die Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 gemäß der 1 ist vorzugsweise, aber nicht zwingend, ein optischer Reflexions-Typ. Ein Lichtstrahl 48, der von einer Lichtquelle 50 über eine Quellenlichtfaser 52 und durch eine Durchführung 54 übertragen wird, trifft auf dem überwachten Substrat 46 auf. Die Lichtquelle 50 kann z.B. eine Lichtquelle mit nicht-kohärentem Licht sein, wie z.B. eine Wolfram-Halogen-Lampe, oder eine kohärente Lichtquelle, wie z.B. ein Infrarot-Laser. Ein reflektierter Lichtstrahl 56, der von dem überwachten Substrat 46 reflektiert wird, wird von einem Lichtfaserbündel 58 empfangen, und im Speziellen von einem ersten Lichtfaserteilbündel 60, das ein optisches Dickensignal in der Form des reflektierten Lichtstrahls 56 von dem überwachten Substrat 46 empfängt und durch die Durchführung 54 weiterleitet. Die Amplitude des reflektierten Lichtstrahls 56 ist abhängig von einer Dicke einer Ablagerung des Ablagerungsmaterials 26 auf dem überwachten Substrat 46, welches als Surrogat für die Stärke des Ablagerungsmaterials 26 auf dem Substrat 34 dient. Nach einer Konvertierung in ein elektrisches Signal, einer Aufbereitung des Signals, einer geeigneten Verstärkung und einer Normalisierung wird aus dem Dickensignal das Ausgangssignal 42 des nachlaufenden Indikators (hier die Ablagerungsrate).
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Die Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 gemäß der 2 ist ein Transmissions-Typ. Es werden nun für Merkmale mit vergleichbarer Funktion in der 2 dieselben Begriffe und dieselbe Nummerierung von Merkmalen wie in der 1 verwendet. Der Lichtstrahl 48, der von der Lichtquelle 50 über die Quellenlichtfaser 52 und durch die Durchführung 54a weiter geleitet wird, trifft auf dem überwachten Substrat 46 auf. Ein weiter geleiteter Lichtstrahl 56, der durch das überwachte Substrat 46 weiter geleitet wird, wird von dem Lichtfaserbündel 58 empfangen, und im Speziellen von dem ersten Lichtfaserteilbündel 60, das ein optisches Dickensignal in der Form des übertragenen Lichtstrahls 56 von dem überwachten Substrat 46 empfängt und durch die zweite Durchführung 54b führt. Die Amplitude des weiter geleiteten Lichtstrahls 56 ist abhängig von der Dicke der Ablagerung von Ablagerungsmaterial 26 auf dem überwachten Substrat 46, das als Surrogat für die Stärke des Ablagerungsmaterials 26 auf dem Substrat 34 dient. Nach einer Signalaufbereitung, einer geeigneten Verstärkung und einer Normalisierung wird aus dem Dickensignal das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator (hier die Ablagerungsrate).
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Andere Arten von Ablagerungsüberwachungseinrichtungen 44 können auch verwendet werden, um ein Maß/eine Messzahl für die zurückliegende Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle bereitzustellen. Die Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 kann z.B. mittels nicht-optischer Verfahren die Masse des abgelagerten Materials oder die Dicke des abgelagerten Materials erfassen.
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Das Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 hat ferner eine Überwachungseinrichtung 62 für einen vorlaufenden Indikator, die die zukünftige Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle 22 misst und ein Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator hat. Vorzugsweise ist die Überwachungseinrichtung 62 für den vorlaufenden Indikator eine Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66, die eine Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 in der Verdampfungsquelle 22 misst, die mit der Temperatur des Ablagerungsmaterials 26 in der Verdampfungsquelle 22 korreliert. Wenn sich die Temperatur und damit die Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 ändert, folgt die Ablagerungsrate des Ablagerungsstrahls 32 kurz danach. Zum Beispiel, wenn die Temperatur und die Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 ansteigt, steigt die Ablagerungsrate des Ablagerungsstrahls 32 kurz danach an. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Überwachungseinrichtung 62 für den vorlaufenden Indikator ein zweites Lichtfaserteilbündel 68 auf, das ein optisches Helligkeitssignal 70 empfängt, welches von der Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 in der Verdampfungsquelle 22 abhängt und überträgt das optische Helligkeitssignal 70 durch die Durchführung 54 (1) oder 54b (2) an die Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66. Nach einer Konvertierung in ein elektrisches Signal, einer Aufbereitung des Signals, einer geeigneten Verstärkung und einer Normalisierung wird aus dem optischen Helligkeitssignal 70 das Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator (hier die Helligkeit).
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Das optische Helligkeitssignal 70 kann direkt von der erhitzten Oberfläche des Ablagerungsmaterials 26 am Zielort 24 kommen. Es ist jedoch eher typisch, dass das optische Helligkeitssignal 70 indirekt von der erhitzten Oberfläche des Ablagerungsmaterials 26 am Zielort 24 kommt, nach einer oder mehrerer Reflexionen von den Wänden oder anderen Teilen innerhalb der Vakuumkammer 36. Wie nachfolgend erläutert wird, ist eher die Änderungsrate des optischen Helligkeitssignals 70 von Interesse anstatt der absoluten Größe des optischen Helligkeitssignals 70, so dass die Verwendung eines reflektierten optischen Helligkeitssignals 70 völlig zufrieden stellend ist. In vielen Situationen wird das reflektierte optische Helligkeitssignal 70 gegenüber einem direkten optischen Helligkeitssignals 70 bevorzugt, da es dadurch möglich wird, das zweite Lichtfaserteilbündel 68 außerhalb des Ablagerungswegs des Ablagerungsmaterials 26 zu haben.
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Das Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 hat des Weiteren eine Steuereinrichtung 72, die das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator und das Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator empfängt und die Elektronenstrahlquelle 28 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal 42 des nachlaufenden Indikators und von dem Ausgangssignal 64 des vorlaufenden Indikators steuert. Die Steuereinrichtung 72 ist in den 1 und 2 dargestellt und ihre Beziehung mit den anderen Steuerelementen für die bevorzugte Vorgehensweise wird mit mehr Detail in 4 gezeigt.
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Bezug nehmend auf 4 sind drei Steuerkreise gegeben. In einem ersten Kreis, der auch als Kreis mit langsamer Antwort bezeichnet werden kann, wird das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator von der Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 optional mittels eines logarithmischen Verstärkers 74 verstärkt, um den Ausgangsbereich zu komprimieren. Der logarithmische Verstärker 74 kann optional verwendet werden, weil es wünschenswert ist, in der Lage zu sein, den Verdampfer in einem breiten Bereich (z.B. 1000:1) von Ablagerungsraten zu betreiben, um damit Filme mit erheblich variierenden Dicken zu erzielen. Dort wo der logarithmische Verstärker 74 verwendet wird, verhindert er größere Anpassungen der Parameter der Steuerkreise, nachdem eine große Änderung der Rate gemacht wurde. Das Ausgangssignal des logarithmischen Verstärkers 74 (oder, falls der logarithmische Verstärker 74 fehlt, der Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44) wird im Summierer 78 (summing junction) mit einem Sollwert-Eingangssignal 76 summiert. Die Summe wird mittels eines Integrators 79 über der Zeit integriert.
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In einem zweiten Kreis, der auch als Kreis mit schneller Antwort bezeichnet werden kann, wird das optische Helligkeitssignal 70 optional mittels eines Filters 80 gefiltert, um infrarotes Licht zu entfernen (anders gesagt, sichtbares Licht durchzulassen). Der Filter 80 wird normalerweise nicht benötigt, wenn beispielsweise die optische Dickenüberwachungseinrichtung eine nicht-kohärente Lichtquelle 50 verwendet, wie zum Beispiel eine Wolfram-Halogen-Lampe als Lichtquelle. Die Betätigung der Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66 wird durch eine Synchronisationssteuerung 82 synchronisiert, um zu arbeiten, wenn die Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 und ihre Lichtquelle 50 nicht arbeiten, wodurch sich eine wirksame Filterfunktion für eine nicht-kohärente Lichtquelle 50, wie z.B. einer Wolfram-Halogen-Lampe, ergibt. Wenn ein Infrarot-Laser als die Lichtquelle 50 für die optische Dickenüberwachungseinrichtung verwendet würde, wäre die Verwendung des Filters 80 wünschenswert. Bei Fehlen des Filters 80 oder der Synchronisationssteuerung 82 würde die intensive Lichtquelle 50 möglicherweise die Arbeit der Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66 stören, deren Funktion es ist, die Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 am Zielort 24 zu überwachen, das von dem Elektronenstrahl 30 erhitzt wird. Das Ausgangssignal 64 des vorlaufenden Indikators wird optional mittels eines logarithmischen Verstärkers 84 verstärkt, um den Ausgangsbereich zu komprimieren. Der logarithmische Verstärker 84 kann verwendet werden, weil die Ablagerungsrate eine exponentielle Funktion der Temperatur ist (wie sie durch die Helligkeit gemessen wird). Die zeitliche Ableitung des Ausgangssignals aus dem logarithmischen Verstärker 84 (oder, wenn der logarithmische Verstärker 84 nicht verwendet wird, der Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66) wird von einer Recheneinheit 86 für die zeitliche Ableitung errechnet. Die zeitliche Ableitung der Helligkeit wird von einem Summierer 88 mit dem Ausgangssignal des Integrators 79 summiert.
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Das summierte Ausgangssignal des Summierers 88, welches sowohl das Ausgangssignal aus dem ersten Kreis als auch das Ausgangssignal aus dem zweiten Kreis repräsentiert, wird verwendet, um die Elektronenstrahlquelle 28 zu steuern. Im Speziellen steuert das Ausgangssignal des Summierers 88 die Fleckgröße des Strahls durch eine Funktion zur Fleckgröße des Strahls in der Steuereinrichtung 90 der Fleckgröße/Position des Strahls. Das heißt, die Fleckgröße des Elektronenstrahls 30 kann vergrößert werden, um die Temperatur des Gebiets des Ablagerungsmaterials 26, das emittiert, zu vergrößern, wodurch die Masse des Materials in dem Ablagerungsstrahl 32 reduziert wird. Oder die Fleckgröße wird reduziert, um die Temperatur in dem Gebiet des Ablagerungsmaterials 26, das emittiert, zu vergrößern, wodurch die Masse des Materials im Ablagerungsstrahl 32 vergrößert wird. Diese Steuerung mit schneller Antwort der Ablagerungsrate in Verbindung mit der Überwachung, die man durch die Überwachung des nachlaufenden Indikators und die Überwachung des vorlaufenden Indikators erhält, ermöglicht es, die Ablagerungsrate sehr schnell zu ändern in Abhängigkeit von schnell wechselnden Bedingungen des Ablagerungsmaterials 26. Diese Fähigkeit zur schnellen Antwort ermöglicht es, verdampfungsinstabile, anorganische Nicht-Metalle, wie beispielsweise Gläser, Keramiken oder Halbleiter, in einer stabileren und kontrollierteren Art und Weise abzulagern, als es zuvor möglich war. Außerdem kann die mittlere Stelle des Flecks 106 über die Oberfläche des Ablagerungsmaterials 26 bewegt werden, indem man die Steuerfunktion der Strahlposition der Steuereinrichtung 90 der Fleckgröße/Position des Strahls verwendet, um sicherzustellen, dass es gleichmäßig verdampft wird, ohne die Grate und andere Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche, die ansonsten dazu führen können, die Ablagerung instabil zu machen.
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Das Ausgangssignal des Summierers 88 wird auch mit einem Sollwert 92 des Strahldurchmessers von einem Summierer 94 eines dritten Steuerkreises summiert. Das Ausgangssignal des Summierers wird verwendet, um die Drahtstromsteuerung 96 zu steuern, die den Strom steuert, der der Elektronenstrahlquelle 28 bereitgestellt wird, entweder direkt oder durch einen optionalen logarithmischen Verstärker 95. Der optionale logarithmische Verstärker 95 kann eingesetzt werden, weil die Ablagerungsrate exponentiell von dem Strom durch den Draht 100 abhängt und der optionale logarithmische Verstärker 95 den Steuerkreis der Emissionsleistung linearisiert.
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Die optionale Verwendung der drei logarithmischen Verstärker 74, 84 und 95 ermöglicht es, die Steuerkreise linearer in ihrem Verhalten und damit stabiler zu machen, insbesondere wenn die Umstände es erfordern, die Verdampfungsrate über mehrere Zehnerpotenzen hinweg zu steuern (z.B. Verdampfungsraten von 0,01 nm Dicke pro Sekunde bis zu 10 nm Dicke pro Sekunde). Einer oder mehrere der logarithmischen Verstärker 74, 84 und 95 können weggelassen werden, wenn eine solche Linearisierung nicht erforderlich ist. Dies ist z.B. der Fall, wenn die optimalen Systemparameter bekannt sind und als eine Funktion der Ablagerungsrate programmiert sind, oder wo sich das gesamte System unter einer Computersteuerung befindet.
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Obwohl zum Zwecke der Erläuterung ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden ist, können verschiedene Modifikationen und Verbesserungen gemacht werden, ohne die Idee und den Bereich der Erfindung zu verlassen. Demnach ist die Erfindung nur durch die Ansprüche begrenzt.
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Insgesamt betrifft die Erfindung also ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 mit einer Verdampfungsquelle 22, die ein Quellenziel 23 mit einem Zielort 24, an dem ein Ablagerungsmaterial 26 positioniert werden kann, und eine steuerbare Elektronenstrahlquelle 28 aufweist, die angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl 30 auf den Zielort 24 zu lenken. Eine Überwachungseinrichtung 40 für einen nachlaufenden Indikator misst die zurückliegende Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle 22 und hat ein Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator. Eine Überwachungseinrichtung 62 für einen vorlaufenden Indikator misst eine zukünftige Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle 22 und hat ein Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator. Eine Steuereinrichtung 72 empfängt das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator und das Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator und steuert die Elektronenstrahlquelle 28 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator und von dem Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator. Bevorzugt misst die Überwachungseinrichtung 40 für den nachlaufenden Indikator eine Ablagerung des Ablagerungsmaterials 26 auf einem überwachten Substrat 46, und die Überwachungseinrichtung 62 für den vorlaufenden Indikator misst eine Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 in der Verdampfungsquelle 22.