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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schichtabscheidung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
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Zur Vakuumdeposition von dünnen Schichten ist der Einsatz verschiedenartiger Verdampfereinrichtungen wie Elektronenstrahlkanonen, Flash-Verdampfer und widerstandsbeheizte Verdampfer bekannt.
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Widerstandsbeheizte Verdampfer sind stromdurchflossen und erwärmen sich durch Joulsche Wärme, wobei das darin befindliche Aufdampfmaterial üblicherweise bis über den Siedepunkt erhitzt wird. Der Verdampfer umfasst metallische oder auch keramische Tiegel, in dem das Aufdampfmaterial gehalten ist. Aus dem Verdampfer abdampfendes Aufdampfmaterial breitet sich geradlinig aus und kondensiert an kälteren Oberflächen. Wird ein Substrat, etwa eine Folie, entsprechend in der Nähe des Verdampfers platziert, kann dort eine Schicht des Aufdampfmaterials aufwachsen. Bei der großtechnischen Herstellung etwa von Aluminiumschichten wird der Verdampfer kontinuierlich mit dem Aufdampfmaterial beschickt, in diesem Fall mit drahtförmigem Aluminium, das kontinuierlich in den erhitzten Verdampfer eingeführt wird. Der Verdampfer kann mit der Zeit Alterungserscheinungen zeigen, die eine wiederholte Kalibration von Beschichtungsparametern erforderlich machen.
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In der
DE 44 50 550 C2 ist bereits ein Beschichtungsverfahren beschrieben, in dem Strom und Spannung einer Verdampfereinheit gemessen werden und daraus der elektrische Widerstand errechnet wird. Über einen Soll-Ist-Vergleich erfolgt ggf. eine entsprechende Einstellung einer Stellgröße.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Beschichtungsverfahren bereitzustellen, das einen weniger aufwendigen Betrieb erlaubt.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird eine Schicht auf einem Substrat abgeschieden, wobei Aufdampfmaterial aus einer Verdampfereinrichtung auf das Substrat gelangt. Zum Erhitzen des Aufdampfmaterials werden ein oder mehrere Verdampfer von elektrischem Strom durchflossen und Aufdampfmaterial während des Stromflusses in die Verdampfereinrichtung zugeführt. Es werden folgende Schritte ausgeführt:
- – Erfassen eines oder mehrerer Parameter der Verdampfereinrichtung (20) oder Erfassen einer Schichtdicke und/oder eines Flächenwiderstandes der abgeschiedenen Schicht (42),
- – Bestimmen einer durch das zugeführte Aufdampfmaterial hervorgerufenen Welligkeit der einen oder mehreren erfassten Parameter oder Bestimmen einer durch das zugeführte Aufdampfmaterial hervorgerufenen Welligkeit der Schichtdicke und/oder des Flächenwiderstandes der abgeschiedenen Schicht (42),
- – Prüfen, ob die bestimmte Welligkeit innerhalb oder außerhalb von vorgegebenen Toleranzgrenzen liegt,
- – Durchführen eines Eingriffs in eine Regelung oder Steuerung der Verdampfereinrichtung (20) über eine elektrische Stellgröße der Regeleinrichtung (30), falls die geprüfte Welligkeit die Toleranzgrenzen überschreitet, und
- – Unterbleibenlassen des Eingriffs, falls die geprüfte Welligkeit die Toleranzgrenzen nicht überschreitet.
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Würde das Aufdampfmaterial in einen thermisch überhitzten Verdampfer eingebracht, etwa als Drahtmaterial zugeführt, das an einem Auftreffpunkt im Verdampfer an diesen anstößt, würde dieses vor dem Auftreffen auf den Verdampfer, bzw. einen Tiegel des Verdampfers, schmelzen und in den Verdampfer hineintropfen. Die Beschichtung des Substrats würde ungleichmäßig erfolgen und wäre schwer kontrollierbar. Würde die zugeführte Menge des Aufdampfmaterials erhöht, könnten die Verhältnisse zwar stabilisiert werden, gleichzeitig würde jedoch die Beschichtungsrate ansteigen. Vorteilhaft wird stattdessen die Temperatur des Verdampfers, etwa über eine Reduktion der elektrischen Leistung, verringert. So kann günstigerweise bei ausreichend hoher Temperatur eine hohe und gleichbleibende Abdampfrate erreicht und ein Substrat unter reproduzierbaren Bedingungen beschichtet werden.
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Das Abtropfen des Aufdampfmaterials kann sich in der Welligkeit wenigstens einer der Parameter Strom, Spannung elektrische Leistung, elektrischer Widerstand des einen oder der mehreren Verdampfers, elektrische Spannung zwischen dem jeweiligem Verdampfer und dem diesem zugeführtem Aufdampfmaterial, Flächenwiderstand der abgeschiedenen Schicht, Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht, zeigen. Vorteilhaft kann daher wenigstens einer der genannten Parameter erfasst und hinsichtlich der Stärke der Welligkeit ausgewertet werden.
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Vorteilhaft kann eine Standardabweichung wenigstens einer der Parameter über einen gegebenen Zeitraum erfasst werden. Dabei ist zweckmäßig, wenn bei Überschreiten einer zulässigen Standardabweichung innerhalb des gegebenen Zeitraums die Stellgröße verändert werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Abstand zwischen einem minimalen und einem maximalen Signal des jeweils erfassten Parameters erfasst werden. Wird innerhalb eines gegebenen Zeitraums ein zulässiger Abstand zwischen minimalem und maximalem Signal überschritten, kann vorteilhaft die Stellgröße verändert werden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann die Verdampfereinrichtung mit Gleichstrom betrieben werden. Es zeigt sich, dass die Abdampfrate dann proportional zur elektrischen Leistung ist. Bei Verwendung von keramischen Tiegeln für das Aufdampfmaterial zeigt sich weiterhin, dass bei der Verwendung von Gleichstrom ein alterungsabhängiger Leistungsanstieg zur Erzielung einer gleichen Beschichtungsrate, der bei Wechselstrombetrieb beobachtet wird, praktisch nicht beobachtet wird. Wird die Welligkeit des wenigstens einen Parameters, etwa des elektrischen Stroms, minimiert, tropft das Aufdampfmaterial nicht mehr in den Verdampfer, und eine günstige Benetzung des Verdampfers durch das Aufdampfmaterial kann erreicht werden mit dem Ergebnis einer homogenen Abdampfrate. Verglichen mit einem Wechselstrombetrieb zeigt sich, dass die Benetzung bei Gleichstrom großflächiger und gleichmäßiger erfolgt. Bezogen auf die eingestellte Verdampferleistung kann so günstigerweise die Abdampfrate maximiert werden.
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Alternativ kann die Verdampfereinrichtung mit Wechselstrom betrieben werden. Dabei kann zweckmäßigerweise eine Oberwellenanalyse durchgeführt werden und ein daraus abgeleiteter niederfrequenter Anteil des erfassten elektrischen Parameters unterhalb von 20 Hz erfasst werden, vorzugsweise zwischen 0,01 und 15 Hz, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 10 Hz. Zweckmäßigerweise kann ein alterungsbedingter Leistungsanstieg zur Aufrechterhaltung einer Abdampfrate durch Erhöhung der Leistung nachgeführt werden.
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Eine günstige Betriebsweise ergibt sich, wenn die elektrische Leistung des oder der Verdampfer auf einen innerhalb zulässiger Werte beschränkten Wert geregelt werden kann. Bei einem solchen Konstantleistungsbetrieb können, besonders in Kombination mit einem Gleichstrombetrieb des Verdampfers, stabile Beschichtungsverhältnisse erreicht werden. Bevorzugt wird dabei die Spannung am Verdampfer konstant gehalten und der Strom nachgeregelt. Eine Einheit zur Einstellung einer geeigneten Regelgröße des Verdampfers, etwa eine Reglereinheit, kann schnell die gewünschte Stellgröße anpassen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Beschichtungsverfahrens zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat, wobei Aufdampfmaterial aus einer Verdampfereinrichtung auf das Substrat gelangt, wobei die Verdampfereinrichtung ein oder mehrere Verdampfer umfasst, die zum Erhitzen des Aufdampfmaterials von elektrischem Strom durchflossen sind und Aufdampfmaterial während des Stromflusses in die Verdampfereinrichtung zuführbar ist, sieht vor, dass eine oder mehrere Einrichtungen zur Erfassung einer durch das zugeführte Aufdampfmaterial hervorgerufenen Welligkeit eines elektrischen und/oder schichtbezogenen Parameters an dem einen oder den mehreren Verdampfern und/oder an einer aus dem Aufdampfmaterial abgeschiedenen Schicht vorgesehen sind und eine Einrichtung zur Einstellung einer elektrischen Stellgröße der Verdampfereinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Welligkeit. Die Vorrichtung ist zur Herstellung metallischer Schichten vorgesehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine Skizze einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
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2 eine Vorrichtung gemäß 1 zur Folienbeschichtung; und
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3 einen bevorzugten Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugseichen bezeichnet.
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Zur Erläuterung der Erfindung zeigen die 1 und 2 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Beschichtungsverfahrens, beispielsweise eine Vakuumdeposition von Aluminium als Verdampfungsmaterial auf ein folienförmiges Substrat 40. Das folienförmige Substrat 40 ist oberhalb einer Verdampfereinrichtung 20 in einem Vakuumrezipienten (nicht dargestellt) angeordnet und bewegt sich in einer Längsrichtung 44, wobei Aufdampfmaterial 28 auf dem folienförmigen Substrat 40 kondensiert und eine Schicht 42 bildet.
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Die Verdampfungseinrichtung 20 weist wenigstens einen Verdampfer 22 auf, vorzugsweise einen keramischen Verdampfer. Der Verdampfer 22 ist an Halterungen 24, 26 eingespannt. Beheizt wird der Verdampfer 22 bzw. die Verdampfereinrichtung 20 durch elektrischen Strom aus einer Stromversorgung 32, die mittels einer Einrichtung 30, vorzugsweise einer Regeleinrichtung, eingestellt wird. Die Einrichtung 30 ermöglicht beispielsweise das Einstellen einer konstanten elektrischen Leistung. Wird dabei die Spannung konstant gehalten, wird jeweils der Strom entsprechend nachgeführt. Ebenso kann ein Konstantstrombetrieb oder ein Konstantspannungsbetrieb vorgesehen sein. Bei einer Gleichstromversorgung ist die Abdampfrate des Aufdampfmaterials 28 aus dem keramischen Verdampfer 22 nahezu linear von der Leistung abhängig und zeigt auch bei Alterung kaum eine Veränderung. Im Gegensatz dazu muss bei einer Wechselstromversorgung während der üblichen Lebensdauer eines Verdampfers 22 mit einer Leistungszunahme um etwa 10% gerechnet werden, um eine konstante Abdampfrate zu gewährleisten.
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Der durch die Verdampfereinrichtung 20 fließende elektrische Strom I kann mit einem Amperemeter 34 gemessen werden, ein zwischen Aufdampfmaterial und Verdampfer 22 anliegendes Potential U mit einem Voltmeter 36.
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Die Einrichtung 30 kann Eingangssignale von einem oder mehreren Parametern der Verdampfereinrichtung 20 erhalten, etwa Strom I, elektrisches Potential V, Spannung über den Verdampfer 22, elektrischer Widerstand, ebenso können zusätzlich oder alternativ schichtbezogene Parameter wie ein Flächenwiderstand der aufwachsenden Schicht 42 und/oder eine Schichtdicke der aufwachsenden Schicht 42 als Eingangsgrößen dienen. Die Schichtdicke kann während der Beschichtung an geeigneter Stelle gemessen werden, etwa, vom Substratrand (z. B. Folienrand) aus gemessen, an der gleichen Position wie der Verdampfer 22. Anhand des oder der Parameter kann die Einrichtung 30 eine Stellgröße, wie etwa Strom, Spannung, Leistung, Widerstand der Verdampfereinrichtung 20 berechnen, die über die Stromversorgung 32 umgesetzt wird. Grundsätzlich kann auch die Zufuhr des Aufdampfmaterials, etwa dessen Vorschubgeschwindigkeit, angepasst werden, es ergibt sich jedoch eine besonders einfache Regelung, wenn die Zufuhr des Aufdampfmaterials konstant bleibt.
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In den Verdampfer 22 wird während der Beschichtung kontinuierlich Verdampfungsmaterial nachgeführt, hier z. B. Aluminium als Draht 28. Die Zuführrichtung zu dem Verdampfer 22 ist mit einem Pfeil angedeutet (1). Das Aufdampfmaterial schmilzt am Auftreffpunkt im Verdampfer 22, wobei eine entsprechende Menge durch seinen hohen Dampfdruck den Verdampfer 22 verlässt und an kalten Bereichen des Vakuumrezipienten kondensiert, beispielsweise am Substrat 40.
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Ist der Verdampfer 22 zu heiß, tropft das Aufdampfmaterial in den Verdampfer 22, so dass eine Welligkeit des Stroms durch den Verdampfer 22 beobachtet wird. Wird die von der Stromversorgung 32 ausgegebene Spannung durch die Einheit 30 entsprechend nachgeregelt, dass die Welligkeit minimal wird bzw. innerhalb einer Toleranz gehalten wird, tropft das Aufdampfmaterial nicht mehr und eine Maximierung der Abdampfrate bezogen auf die Verdampferleistung kann erreicht werden, wobei sich bei Gleichstrombetrieb dabei eine größere und homogenere Benetzungsfläche des Verdampfers 22 einstellen kann als bei entsprechenden Parametern bei Wechselstrombetrieb.
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Durch eine schnelle Messung der Welligkeit des Gleichstromsignals sowie eine entsprechende Anpassung der Verdampferleistung automatisch über die Einheit 30 oder auch manuell kann eine Minimierung der Welligkeit erreicht werden. Dazu kann eine geeignete Software vorgesehen sein, die eine automatische Regleranpassung der Einheit 30 ermöglicht, so dass die Verdampferleistung über den gesamten Beschichtungszeitraum unter homogenen Bedingungen mit gut reproduzierbaren Ergebnissen ablaufen kann. Entsprechende Regleranpassungen durch Bedienpersonal kann auf ein Minimum beschränkt werden. Das Beschichtungsergebnis hängt dann hinsichtlich der Gleichmäßigkeit im Wesentlichen nur noch von der Verdampfergeometrie ab, und die Verdampferregelung wird erheblich vereinfacht.
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3 zeigt einen Ablauf eines bevorzugten Beschichtungsverfahrens. Zum besseren Verständnis des Beschichtungsablaufs erfolgt die Erklärung in Zusammenschau mit den 1 und 2. In einem ersten Schritt 10 erfolgt beispielhaft eine Messung eines elektrischen Parameters eines Verdampfers 22, etwa des Stroms durch den Verdampfer 22. Alternativ oder zusätzlich kann der Potential-Ist-Wert zwischen Aufdampfmaterial 28 (Draht) und Verdampfer 22 bestimmt werden und/oder eine Schichtdicke und/oder ein Flächenwiderstand der aufwachsenden Schicht 42. Es wird in Schritt 12 die Welligkeit des gemessenen Parameters oder der gemessenen Parameter bestimmt und geprüft, ob diese innerhalb oder außerhalb von vorgegebenen Toleranzgrenzen liegt. Wird die Toleranz nicht überschritten, kann ein Eingriff unterbleiben. Wird die Toleranz überschritten, erfolgt im Schritt 14 ein Eingriff in die Regelung oder Steuerung des Verdampfers 22 bzw. der Verdampfereinrichtung 20 über eine Stellgröße der Einheit 30, etwa Strom. Spannung, Leistung, Widerstand der Verdampfereinheit 20. Die Stromversorgung 32 der Verdampfereinheit 20 wird dann entsprechend eingestellt.
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Zur Bestimmung der Welligkeit kann entweder deren Standardabweichung über einen vorgegebenen Zeitraum bestimmt werden oder es kann aus den Messwerten über einen Zeitraum deren Minimum und Maximum ermittelt werden. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Abstands zwischen Minimum und Maximum kann die Stellgröße entsprechend ausgegeben und die Regelung/Steuerung des Verdampfers 22 bzw. der Verdampfereinheit 20 entsprechend verändert werden.
