DE102009005513A1

DE102009005513A1 - Verfahren und Vorrichtung zur langzeitstabilen Beschichtung von Substraten mittels Elektronenstrahlverdampfung

Info

Publication number: DE102009005513A1
Application number: DE102009005513A
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Reinhold; Jörg Dr. Faber
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: DE102009005513B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur langzeitstabilen Beschichtung von bewegten Substraten 1, indem mit Hilfe eines Elektronenstrahls 18 auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3 eine punktförmige oder kleinflächige Dampfquelle 6 des auf dem Substrat 1 abzuscheidenden Dampfes erzeugt und das Verdampfungsmaterial 3 relativ zur Dampfquelle 6 in einer Ebene bewegt wird. Die zugrunde liegende Aufgabenstellung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art anzugeben, so dass auch für sublimierende und semischmelzende Materialien eine zeitlich gleichmäßige Dampfdichte- und Schichtdickenverteilung quer zur Substrattransportrichtung 7 bei maximaler Ausnutzung des Verdampfungsmaterials 3 erzielbar ist, wird dadurch gelöst, dass die Tiegelbewegung sich zusammensetzt aus zwei Drehbewegungen des Tiegels 15 um zwei Drehachsen 10, wobei die Dampfquelle 6 relativ zur Geometrie der Beschichtungskammer stationär bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur langzeitstabilen Beschichtung von Substraten mittels Elektronenstrahlverdampfung. Auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials wird mittels eines Elektronenstrahls eine punktförmige oder kleinflächige Dampfquelle des auf dem Substrat abzuscheidenden Dampfes erzeugt und dabei das Verdampfungsmaterial relativ zur Dampfquelle innerhalb der Ebene bewegt, in welcher die Oberfläche des Verdampfungsmaterials liegt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Beschichtungsverfahrens. Die Vorrichtung umfasst eine Elektronenstrahleinrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und ein bewegliches Tiegelsystem zur Aufnahme von Verdampfungsmaterial, welches dem Substrat gegenüber liegend angeordnet ist. Auf das Verdampfungsmaterial ist der Elektronenstrahl zur Bildung einer punktförmigen oder kleinflächigen Dampfquelle gerichtet.
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen dazu, auf großflächigen Substraten Schichten von Elementen, Verbindungen und Mischschichten mit gleichmäßiger Schichtdicke aufzubringen.
Z. B. kann es sich um bandförmige Materialien großer Breite handeln, die kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich an der Beschichtungsquelle vorbei bewegt werden.
Für die Beschichtung großflächiger Substrate, insbesondere im bis zu einige Tage dauernden kontinuierlichen Betrieb, werden bisher Vielquellensysteme, Linienquellen oder Flächenquellen als Verdampfer eingesetzt, mit denen unter Verwendung mindestens eines Elektronenstrahls als Energiequelle zur Verdampfung des Verdampfungsmaterials eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung bei einem vorgegebenen Verhältnis von Bedampfungsabstand zu Substratbreite durch Verteilung der Dampfquellen hinsichtlich deren Position und Intensität erreicht wird. Diese Verteilung der Dampfquellen wird durch entsprechende Programmierung der Ablenkung des Elektronenstrahles eingestellt. Durch eine geeignete Bevorratung und Verdampfungsmaterialzuführung wird erreicht, dass der Verdampfungsprozess lange und ratestabil aufrechterhalten werden kann. Dabei ist von besonderer Wichtigkeit, dass die Bedampfungsgeometrie über die Produktionszyklen nahezu konstant bleibt.
Zur Erzielung von Verdampfungsraten, die über lange Zeiten hinweg konstant bleiben, ist es bekannt, das Verdampfungsmaterial während des Verdampfungsprozesses in einer Richtung oder in mehreren Richtungen zu bewegen. Gleichzeitig erfolgt eine periodische Auslenkung des Elektronenstrahles. Das Auftreffmuster, welches durch den abgelenkten Elektronenstrahl auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials erzeugt wird, wird allgemein als Elektronenstrahlfigur bezeichnet. Über das Design der Elektronenstrahlfigur kann erreicht werden, dass das Verdampfungsmaterial möglichst gleichmäßig ausgenutzt wird.
In der DD 64 635 beispielsweise wird ein bandförmiges Substrat durch eine Vakuumkammer mit einer definierten Bandgeschwindigkeit bewegt. Unter dem Band befindet sich in einem rechteckigen Tiegel Verdampfungsmaterial, auf das ein Elektronenstrahl gerichtet wird. Der Tiegel wird in einer oder in mehreren Richtungen oszillierend bewegt und der Elektronenstrahl oszillierend ausgelenkt. Am über den Tiegel wandernden Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials entsteht eine Dampfquelle, aus der das Verdampfungsmaterial dampfförmig austritt, wodurch das Substrat an der Unterseite bedampft wird. Mit der aus der Beschreibung folgenden Bewegung der Dampfquellen gelingt es jedoch in der Regel nicht, auch über lange Beschichtungsphasen hinweg eine homogene Schichtdickenverteilung auf einem Substrat abzuscheiden.
In der JP 62180068 A wird infolge einer Rotation eines kreisförmigen Tiegels bei gleichmäßigem Ablenken der Elektronenstrahlfigur entlang des gesamten Radius das Verdampfungsmaterial spiralförmig von dem Elektronenstrahl überstrichen. In der DE 698 10 704 T2 wird darüber hinaus ein nicht fokussierter Strahl verwendet, um eine über den Radius gleichmäßig verteilte Leistungsdichte und damit einen gleichmäßigeren Materialabtrag zu erzielen.
Aus der DE 44 44 538 C2 ist ein Verfahren zur langzeitstabilen Beschichtung großflächiger Substrate bekannt, in welchem die flächen- oder linienförmigen Dampfquellen auf dem Verdampfungsmaterial durch zur Bewegungsrichtung des Substrats parallele oder antiparallele Oszillation des Elektronenstrahls erzeugt werden und auf diese Oszillation zeitlich abgestimmt das Verdampfungsmaterial selbst, jedoch quer zur Substratbewegung oszilliert. Zur Erzielung konstanter Verdampfungsraten sind die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen innerhalb einer Oszillationsperiode des Elektronenstrahls längs der Bandbewegungsrichtung auf die Bandgeschwindigkeit abgestimmt. Diese Lösungen nutzen die Ausbildung eines ausgedehnten Schmelzbades unter Elektronenstrahleinwirkung, so dass die Aufrechterhaltung des Schmelzbads zu gewährleisten ist. Damit beschränken sich diese Verfahren auf bestimmte Verdampfungsmaterialien.
Bei sublimierenden oder nur am Auftreffpunkt des Elektronenstrahls schmelzenden (semischmelzenden) Materialien sowie solchen Materialien, welche nur kleinflächige Schmelzseen ausbilden, führen derartige Bewegungsmuster zu Änderungen der thermischen Verhältnisse im Bereich der Dampfquelle, die durch die Wärmeleitung innerhalb dieser Materialien nicht hinreichend ausgeglichen werden und die Verdampfungsrate beeinflussen. In der DD 64 635 A werden zwar auch sublimierende Materialien verdampft, aber auch hier erfolgt die Bewegung des plattenförmigen Verdampfungsmaterials in einem zur DE 44 44 538 C2 vergleichbaren oszillierendem Bewegungsablauf. Die von den oszillierenden Bewegungen des Verdampfungsmaterials hervorgerufenen Verdampfungsrateschwankungen bewirken ferner störende Deformationen der Quellflächen infolge ungleichmäßigen Abtrags.
Für derartiges Verdampfungsmaterial wird in der DE 10 2007 008 674 A1 eine Elektronenstrahlauslenkung ausgeführt, die den zentralen Tiegelbereich auslässt. Diese E lektronenstrahlauslenkung wird mit einer Rotationsbewegung des Tiegels kombiniert, um Umkehrpunkte der Tiegelbewegung zu vermeiden, die stets Störstellen des Prozesses darstellen Auf diese Weise wird der Dampfquelle stets neues, festes Beschichtungsmaterial zugeführt.
Zwar ist mit solchen Maßnahmen eine gleichmäßige Verdampfungsmaterialausnutzung erreichbar, jedoch sind einer Optimierung und Gleichmäßigkeit der Schichtdickenverteilung über die Fläche Grenzen gesetzt. Denn wird die Elektronenstrahlauslenkung für sich betrachtet, kann sie als wandernde Dampfquelle angesehen werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass dies einerseits zu Prozessinstabilitäten führt und andererseits Schichtdickenschwankungen auf dem Substrat verursacht. Letzteres beruht insbesondere auf einer wechselnden Orientierung der Elektronenstrahlbewegung bezogen auf die Substrattransportrichtung. Erfolgt die Auslenkung zyklisch in bzw. gegen die Substrattransportrichtung, sind zyklische Schwankungen der Schichtdicke in der Längsverteilung zu beobachten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur langzeitstabilen Beschichtung großflächiger Substrate anzugeben, so dass auch für sublimierende und semischmelzende Materialien sowie solchen Materialien, welche nur kleinflächige Schmelzseen ausbilden, eine zeitlich gleichmäßige Dampfdichteverteilung bei maximaler Ausnutzung des Verdampfungsmaterials sowie insbesondere quer zum Substrat eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung erzielbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei stationärem, d. h. relativ zur umgebenden Beschichtungskammer unbewegten Elektronenstrahl eine solche Bewegung ausgeführt, die sich aus zwei einzelnen Bewegungen des Tiegels zusammensetzt. Jede der Bewegungen verläuft auf einer Bahn um jeweils eine Drehachse, und stellt somit im weitesten Sinne eine Drehbewegung dar. Grundsätzlich sind zur Beeinflussung und zur Homogenisierung der Schichtdickenverteilung beliebige Drehbewegungen um beliebig im Raum positionierte Drehachsen möglich, sofern einige nachfolgend dargelegte Voraussetzungen berücksichtigt werden. Dabei können die Bewegungsabläufe während einer Beschichtung auch wechseln. Die Beliebigkeit der sich überlagernden Drehbewegungen schließt auch die Überlagerung von mehr als zwei Drehbewegungen um voneinander abweichende Drehachsen ein. Der besseren Übersicht halber werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen nachfolgend anhand von zwei Drehbewegungen erläutert. Eine Erweiterung auf mehr Drehbewegungen ist entsprechend vorzunehmen.
Um eine zusammengesetzte Bewegung zu erhalten, handelt es sich um zwei unterschiedliche Drehachsen. Um während der Beschichtung zu gewährleisten, dass die Oberfläche des Verdampfungsgutes dem Substrat gegenüber liegt, stehen beide Drehachsen zwangsläufig nahezu senkrecht sowohl zur Oberfläche des Verdampfungsmaterials als auch zur Substratebene, d. h. jener Ebene, in welcher das Substrat angeordnet ist, und ungefähr parallel zueinander. Auf diese Weise erfolgt die Bewegung des Tiegels stets in einer Ebene, die parallel oder zumindest nahezu parallel der Substratebenen ist. Eine Neigung des Tiegels um wenige Grad ist dabei möglich, da geringe Unsymmetrien in der räumlichen Dampfverteilung re gelmäßig durch Abschirmungen ausgleichbar sind oder einen zu vernachlässigenden Einfluss auf die Homogenität der Schichtdickenverteilung haben. Auch ein geringes Kippen der beiden Drehachsen zueinander aus ihrer parallelen Stellung heraus ist in diesen Grenzen möglich.
Mit den aus zwei Drehbewegungen, deren Drehachsen an jedem beliebigen Ort in der Tiegelumgebung, auch weit außerhalb der Beschichtungskammer liegen können, zusammengesetzten Bewegungen sind sowohl die Materialausnutzung als auch die Schichtdickenverteilung in der gewünschten Form zu beeinflussen. Dies gestattet die Verwendung einer punktförmigen oder kleinflächigen Dampfquelle ohne nennenswerte Auslenkung des Elektronenstrahls. Als punktförmig soll dabei eine solche Größe einer Dampfquelle verstanden sein, die durch die natürliche Unschärfe eines Elektronenstrahls bestimmt ist. Eine kleinflächige Dampfquelle ist entweder durch eine geringe Defokussierung oder eine geringe Auslenkung des Elektronenstrahls zu erzielen.
Die Defokussierung findet dabei ihre Grenze in der stabilen Einstellbarkeit der Energiedichte im Verdampfungsgut, so dass gleichmäßige Verdampfungsverhältnisse sicher und dauerhaft zu realisieren sind. Eine Auslenkung des Elektronenstrahls sollte aus dem gleichen Grund ungefähr auf den Radius der natürlichen Unschärfe des Elektronenstrahls begrenzt sein. Durch eine in diesem Sinn und bezogen auf die umgebende Beschichtungskammer stationäre Dampfquelle im Verdampfungsgut kann mit einer solchen Dampfquelle die räumliche Dampfcharakteristik stabilisiert werden.
Denn eine hohe Prozessstabilität und Langzeitstabilität in Produktionszyklen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass mit dem Elektronenstrahl im Gegensatz zum Stand der Technik keine zusätzlichen Bewegungen der Dampfquellen gegenüber der Beschichtungskammer erzeugt werden. Dabei wird eine hohe Ratekonstanz der Dampfquelle über lange Zykluszeiten aufrechterhalten. Durch Vermeidung einer Bewegung der Dampfquelle werden störende zyklische Schichtdickenschwankungen auf einem bewegten Substrat vermieden. Von besonderem Vorteil ist dies bei der Abscheidung von Schichten mit hoher Genauigkeit, wie z. B. bei Deckschichten auf Solarabsorbern.
Da zur Beschichtung die fortwährende Erzeugung einer Dampfquelle erforderlich ist, sind die beiden Bewegungen zwangsläufig derart auszuführen, dass die Dampfquelle den Tiegel nicht verlässt. Dies kann entweder durch die Lage der beiden Drehachsen und/oder durch zumindest eine pendelnde Bewegung des Tiegels erzielt werden, indem der Tiegel auf einem Kreisbogen um die betreffende Drehachse hin und zurück bewegt wird. In Abhängigkeit von der zweiten Drehbewegung kann die resultierende Bewegungsbahn einen Umkehrpunkt aufweisen oder nicht.
Sofern in einer Ausgestaltung des Verfahrens eine der Drehbewegungen des das Verdampfungsmaterial enthaltenden Tiegels eine Eigenrotation um seine zentrische, senkrechte Drehachse ist. Diese erste Drehachse wird durch die zweite Drehbewegung um die zweite, von der ersten abweichende Drehachse bewegt. Auch wenn beide Drehachsen streng geometrisch betrachtet Rotationsachsen darstellen, soll zur besseren Unterscheidung nachfolgend nur jene Drehachse als Rotationsachse bezeichnet werden, um welche der Tiegel eine Eigenro tation ausführt, die also im Zentrum des Tiegels liegt. Häufig wird solch ein Tiegel rotationssymmetrisch sein, er kann im Hinblick auf die Beliebigkeit der möglichen Drehbewegungen jedoch auch andere Formen aufweisen. Die Überlagerung der Eigenrotation eines Tiegels mit einer Drehbewegung um eine von der Rotationsachse abweichenden Drehachse wird regelmäßig zur einer Spiralbahn führen, die dann umzukehren ist, wenn die Dampfquelle den Randbereich des Tiegels erreicht. Alternativ kann auch die Rotation eines Tiegels als pendelnde Drehbewegung ausgeführt sein.
Ein Umkehrpunkt in der Bahn der Dampfquelle auf dem Verdampfungsgut kann dann vermieden werden, wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens die Rotationsachse des Tiegels gewissermaßen translatorisch hin und her bewegt wird. Dies wird dann erzielt, wenn die zweite Drehachse unendlich weit weg vom Tiegel liegt, so dass ein langgestreckter Kreisbogen mit kleinster Krümmung abgefahren wird. Im streng mathematischen Sinn ist bei einem unendlichen Radius der Kreisbahn die Krümmung Null, so dass eine geradlinige Bewegung vorliegt.
Eine aus Rotation und Translation resultierende Bewegung führt bei einem geeigneten Bewegungsablauf dazu, dass die gesamte Oberfläche des Verdampfungsmaterials durch die Dampfquelle überstrichen wird, ohne dass die relative Bewegungsbahn der Dampfquelle auf dem bewegten Verdampfungsmaterial bei ihren Richtungsänderungen einen Umkehrpunkt im Sinne einer zumindest spitzwinkligen Richtungsänderung oder einer Richtungsumkehr durchläuft. Durch die Vermeidung eines solchen Umkehrpunktes werden lokale thermische Schwankungen im Verdampfungsmaterial umgangen. Der stationären Dampfquel le wird infolge dessen kontinuierlich neues Verdampfungsmaterial zugeführt, in welchem ungefähr vergleichbare Temperaturverhältnisse vorliegen.
Ein vollständiges und gleichmäßiges Überstreichen der gesamten Oberfläche des Verdampfungsmaterials wird zum Beispiel durch eine spiralförmige, die Oberfläche des Verdampfungsmaterials dabei sukzessiv von innen nach außen überstreichende Bewegungsbahn erzielt. Zu diesem Zweck ist in einer Ausgestaltung des Verfahrens der Betrag der Geschwindigkeit der Translationsbewegung des Tiegels deutlich langsamer als die Rotationsgeschwindigkeit. Durch zyklische Translationsbewegungen sind die Spiralbahnen nacheinander von innen nach außen bzw. von außen nach innen durchfahrbar. Weitere Bewegungsmuster zum gleichmäßigen Abrastern der Oberfläche des Verdampfungsmaterials sind möglich. Bei anderen Geschwindigkeitsverhältnissen der überlagerten Bewegungsarten des Tiegels können die resultierenden Bewegungsbahnen kompliziertere Figuren darstellen, die auch Kreuzungspunkte aufweisen.
Um auch bei sehr komplexen Bewegungsbahnen die thermischen Verhältnisse im Verdampfungsgut reproduzierbar zu gestalten werden in einer weiteren Ausgestaltung die Geschwindigkeitskomponenten der Drehbewegungen so aufeinander abgestimmt, dass ein resultierender Bewegungsablauf erfolgt, bei dem die zugeführte Menge an neuem Verdampfungsgut pro Zeiteinheit in den Quellbereich hinein konstant bleibt, indem die resultierende Vorschubgeschwindigkeit des Verdampfungsmaterials bezogen auf die Dampfquelle gleich bleibt. Dies wird beispielsweise anhand einer spiralförmigen Bewegungsbahn deutlich, bei der andernfalls aufgrund eines z. B. geringer werdenden Umfangs mit abnehmendem Abstand der Dampfquelle zur Rotationsachse der Materialvorschub in die Dampfquelle bei gleich bleibender Rotationsgeschwindigkeit immer schneller erfolgen würde.
Die Konstanz der Zuführung neuen Verdampfungsguts kann durch Anpassung des Geschwindigkeitsprofils einer der beiden oder beider Bewegungsarten erfolgen. In allen Varianten des Verfahrens werden im Auftreffort des Elektronenstrahls und damit am Ort der Dampfquelle immer nahezu die gleiche thermische Verhältnisse, das heißt nahezu konstante Verdampfungsraten des elektronenstrahlbeaufschlagten Verdampfungsmaterials erreicht.
Aus diesem Grund sind auch die Umkehrpunkte so festgelegt, dass der jeweilige Bereich des Flächenabtrags des Verdampfungsmaterials durch den Tiegelhafenrandbereich noch nicht thermisch gestört wird. Als Tiegelhafenbereich wird dabei ein Randbereich des Tiegels bezeichnet, dessen Breite von der Wärmeleitfähigkeit des Verdampfungsmaterials und damit von einer möglichen Beeinflussung von der Dampfquelle benachbarten Materials abhängt. Die Drehbewegung erfolgt in einer ersten Ausgestaltung mit langsamer, angepasster Geschwindigkeit gegenüber der gleichbleibenden Drehbewegung, so dass thermische Störungen bei Richtungsänderungen minimal sind. Zur Feinabstimmung lässt sich die Geschwindigkeit der Drehbewegung bei Annäherung zu und Entfernung von den Umkehrpunkten in geeigneter Weise programmieren, so dass Rateschwankungen, durch erneutes Verdampfen in unmittelbar vorher überstrichenen und damit erwärmten Bereichen vermieden werden.
Zur Vermeidung von Rateschwankungen, die durch geometrische Abböschung des Verdampfungsmaterials im Bereich der Umkehrpunkte auftreten können, erfolgt in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens mit jeder Bewegungsumkehr eine Verkürzung der Bewegungslänge.
Zur Unterstützung des Ausgleichs der Rateschwankungen in den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten ist es möglich, mit den gängigen Methoden die Beschichtungsrate zu ermitteln und aufgrund der Ergebnisse, Anpassungen am Bewegungsablauf vorzunehmen. Hierfür sind auch In situ-Messverfahren einsetzbar.
Die beschriebenen Bewegungsabläufe eines Tiegels und deren mögliche Modifikationen können in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens auch auf zwei oder mehr Tiegel angewendet werden. Die Verwendung mehrerer Tiegel bietet zum Beispiel die Möglichkeit Unsymmetrien, die beispielsweise durch ein Kippen eines Tiegels, durch unzureichenden Ausgleich an Umkehrpunkten der resultierenden Tiegelbewegung oder auch durch nicht zu vermeidende Unsymmetrien in der Dampfquelle auszugleichen. Derartige Unsymmetrien sind entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung dadurch zu begegnen, dass die eine gerade Anzahl von Tiegeln verwendet werden, die paarweise symmetrisch zu einer oder mehr Symmetrieachsen des Substrats angeordnet und bewegt werden.
Auch zur Beschichtung von sehr großen oder zumindest sehr breiten Substraten können mehr als ein Tiegel verwendet werden, wobei auch hier Symmetrien berücksichtigt werden können.
Der Einsatz von zwei oder mehr Tiegeln erweitert die Variationsmöglichkeiten von Bewegungsabläufen in Bezug auf das Substrat und somit auf die Schichtdickenverteilung über dessen gesamte Fläche. So können mehrere Tiegel unabhängig voneinander oder gemeinsam, d. h. synchron bewegt werden. Eine gemeinsame Bewegung ist zum Beispiel dadurch erzielbar, dass sich die Tiegel um eine gemeinsame Drehachse bewegen oder um diese geschwenkt werden. Sofern diese gemeinsame Drehachse nicht mit einer Rotationsachse eines der Tiegel zusammenfällt, kann auch die Lage der Tiegelgruppe bezogen auf das Substrat relativ konstant aufrechterhalten und dennoch jeder Tiegel individuell abgerastert werden.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, über die Steuerung der Leistung der Elektronenstrahleinrichtung auf die Beschichtung Einfluss zu nehmen, um eine homogene Schichtdickenverteilung zu erzielen. Zu diesem Zweck wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens die Position des betreffenden Tiegels erfasst, z. B. die Nähe zu einem Umkehrpunkt, und daraus ein Signal generiert, mit dem die Elektronenstrahlleistung derart modifiziert wird, dass die Beschichtungsrate temporär beeinflusst und so konstant gehalten wird.
Eine Vorrichtung zur langzeitstabilen Elektronenstrahlverdampfung besteht aus einer mit Vakuumerzeugern ausgestatteten Vakuumkammer, die als Verdampfungs- und Beschichtungskammer dient, durch welche ein zu beschichtendes Substrat bewegt wird. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Tiegelsystem mit zumindest einem Tiegel, der mittels einer Bewegungseinrichtung des Tiegelsystems in der Lage ist, sich gleichzeitig um zumindest zwei der oben beschriebenen Drehachsen zu drehen. Die Vorrichtung enthält weiter mindestens eine Elektronenstrahleinrichtung welche den Elektronenstrahl erzeugt, mit dem mindestens eine punktförmige oder kleinflächige Dampfquelle erzeugt wird, welche sich relativ zur Kammergeometrie und damit zur Substratführung immer am gleichen Prozessort befindet.
An eine solche Bewegungseinrichtung könne sehr komplexe Anforderungen stehen, da wie oben beschrieben jede beliebige Drehachse zur Erzielung des Bewegungsmusters des Tiegels verwendbar ist. Es ist dabei nicht notwendig, die Drehachsen stets als gegenständliche Komponente der Bewegungseinrichtung zu realisieren. Während die Rotationsachse eines Tiegels regelmäßig als dessen drehbares Lager ausgeführt sein wird, sind durch geeignete Vorrichtungen auch virtuelle, z. B. weit entfernte Drehachsen zu verwirklichen. Eine unendlich weit entfernte Drehachse kann beispielsweise durch ein geradliniges Schienensystem realisiert werden.
Die Überlagerung von zwei Bewegungen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Bahn, auf der sich ein Tiegel um eine erste Drehachse bewegt, selbst bewegt wird. Oder die erste Drehachse, wird bewegt und zwar um die zweite Drehachse. Entsprechend der Lage der beiden Drehachsen sind die einzelnen Drehbewegungen nicht immer vollumfänglich möglich oder erforderlich, so dass auch ein Schwenken ausreicht.
Sofern eine der Drehachsen z. B. die Rotationsachse des Tiegels ist, realisiert durch dessen drehbare Lagerung, kann diese Lagerung entlang einer kreisbogenförmigen Bahn in der Beschichtungskammer hin und zurück bewegt werden.
Die Großflächenausdehnung eines schichtdickenhomogenen Beschichtungsprozesses quer zur Substratbewegungsrichtung wird durch Superposition von mindestens zwei oder mehr Dampfquellen optimiert, die jeweils auf einem separaten Tiegel erzeugt werden. Die Tiegel können alternativ synchron oder unabhängig voneinander bewegt werden. Die gemeinsame Bewegung ist mit geringem Anlagenaufwand zu realisieren, wenn die Tiegel einem gemeinsamen Tiegelsystem gehören, so dass dessen Bewegungseinrichtung die Tiegel bewegt.
Die Bewegung unabhängig voneinander kann sich zum einen auf den zeitlichen Ablauf beziehen oder auf die Drehachsen und damit auf den räumlichen Ablauf, wie oben ausführlich dargelegt. Beide Varianten sind auch mit nur einem Bewegungssystem realisierbar. Um in den Gestaltungsmöglichkeiten der Bewegungsabläufe aber sehr variabel zu bleiben, kann eine Ausgestaltung der Vorrichtung separate Tiegelsysteme aufweisen, so dass separate Bewegungseinrichtungen zur Verfügung stehen.
Das beschriebene Verfahren und ebenso die dafür verwendete Vorrichtung sind mit den erforderlichen Anpassungen auch auf die Erzeugung von mehr als eine Dampfquelle in einem Tiegel anwendbar. Die Dampfquellen können, sowohl auf einem als auch auf mehreren Tiegel, entweder mit einer gemeinsamen oder mit separaten Elektronenstrahleinrichtungen erzeugt werden.
Außerdem ist es bei der Verwendung von mehr als einem Tiegel möglich, verschiedene Materialien zu verdampfen, wobei mindestens für ein Material ein oder mehr Tiegel die zuvor beschriebenen zusammengesetzten Bewegungen beschreiben. Durch geeignete Bewegungsabläufe ist es möglich, die Positionen der Dampfquellen zueinander und zur Bedampfungskammer kon stant zu halten und so eine homogene Schichtzusammensetzung zu erzielen. Vorteilhafterweise können zu diesem Zweck die Bewegungen der Tiegel synchron erfolgen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1 die schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung und
2A bis 2C das Tiegelsystem der Beschichtungsvorrichtung gemäß 1 in schematischer Darstellung mit verschiedenen Positionen der Drehachsen.
Die Beschichtungsvorrichtung gemäß 1 umfasst eine Vakuumkammer 12, die mit einem Vakuumerzeuger 13 verbunden ist, um das für die Beschichtung mittels Verdampfung erforderliche Vakuum herzustellen. Ein plattenförmiges Substrat 1 wird mittels eines Transportsystems 14 in einer Richtung, nachfolgend als Substrattransportrichtung 7 bezeichnet, durch die Vakuumkammer 12 und an einer Dampfquelle 6 des abzuscheidenden Materials vorbei bewegt. Die Ebene, in welcher das Substrat angeordnet ist, wird allgemein als Substratebene bezeichnet.
Die Dampfquelle 6 ist durch das Verdampfungsmaterial 3 gebildet, auf welches der Elektronenstrahl 18 einer Elektronenstrahleinrichtung 17 gerichtet ist und das infolge der damit erzielten Erwärmung am Auftreffort des Elektronenstrahls 18 verdampft. Die Dampfquelle 6 ist unterhalb der Substratebene angeordnet, so dass sich über der Dampfquelle 6 eine von der Temperatur des Verdampfungsmaterials 3 am Auftreffort, den Vakuumverhältnissen und der Quellgeometrie abhängiger Dampfstrom 19 zum Substrat hin ausbildet. Das Substrat 1 wird durch diesen Dampfstrom 19 hindurch bewegt und liegt dabei stets der Dampfquelle 6 gegenüber.
Ein rotationssymmetrisches Tiegelsystem 2, einen Tiegel 15 und eine Bewegungseinrichtung 16 umfassend, nimmt das Verdampfungsmaterial 3 auf. Dem Tiegel (15) ist eine Elektronenstrahleinrichtung 17 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 18 und Umlenkung des Elektronenstrahls 18 auf das Verdampfungsgut 3 zugeordnet. Die Elektronenstrahleinrichtung 17 enthält eine Axialkanone, deren Strahlerzeugungssystem sich außerhalb der Beschichtungskammer in einer separat evakuierbaren Strahlerzeugungskammer befindet.
Der Tiegel 15 führt mittels der Bewegungseinrichtungen 16 eine erste Drehbewegung um eine erste Drehachse 10 aus. Im dargestellten Beispiel ist das eine Eigenrotation um die Rotationsachse 10 des Tiegels 15, welche im Mittelpunkt des Tiegels 15 und senkrecht zur Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3 und damit parallel zur Zeichnungsebene steht. Der Tiegel 15 wird außerdem durch die Tiegelbewegungseinrichtung 16 zusätzlich geradlinig in Substrattransportrichtung 7 und zurück bewegt. Die beiden Bewegungsrichtungen 9 sind durch Pfeile dargestellt.
2A zeigt eine Anordnung von zwei Tiegeln 15 unter einem Substrat 1 in der Draufsicht. Das Substrat 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel bandförmig und soll im Folgenden als Band 1 bezeichnet sein.
Das Verdampfungsmaterial 3 ist in zwei kreisrunden Tiegeln 15 eines gemeinsamen Tiegelsystems 2 eingebracht. Die beiden sind in 2A bezüglich der Substrattransportrichtung 7 betrachtet nebeneinander angeordnet. Mittels einer in 2A nicht näher dargestellten, gemeinsamen Elektronenstrahleinrichtung 17 wird in jedem Tiegel 15 in dem kreisringförmigen Verdampfungsmaterial 3 eine punktförmige oder kleinflächige Dampfquelle 6 erzeugt. Alternativ kann jedem Tiegel 15 eine separate Elektronenstrahleinrichtung 17 zugeordnet sein.
Die Tiegel 15 und die Dampfquellen 6 sind symmetrisch zur Symmetrieachse 8 des Bandes 1 mit einem solchen Abstand zueinander angeordnet, dass sich die Dampfdichteverteilungen der von den Dampfquellen 6 ausbreitenden Dampfströme 19 über der gesamten Substratbreite addieren (Superpositionsprinzip).
Beide Tiegel 15 führen die zu 1 beschriebenen Bewegungen, jedoch mit gegenläufigem Drehsinn der Rotationsbewegungen aus. Sie 2 rotieren jeweils um ihre zentrale Rotationsachsen 10 innerhalb der Zeichnungsebene, welche in diesem Beispiel parallel zum Band 1 und parallel zur Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3 liegt. Gleichzeitig führen beide Tiegel 15 parallel zur Substrattransportrichtung 7 eine Translationsbewegung aus, deren Geschwindigkeit mit einer einstellbaren Funktion an den Momentanabstand zwischen Rotationsachse 10 und Dampfquelle 6 angepasst ist. Beide Bewegungsrichtungen 9 der Tiegel 15 sind wiederum jeweils durch einen Pfeil dargestellt.
Die Translationsgeschwindigkeit ist relativ zur Rotationsgeschwindigkeit so gering, dass die resultierende Bewegungsbahnen jeweils eine um die Rotationsachse 10 nach außen ver laufende Spirale darstellt. Nach der Umkehr der Translationsbewegung in die entgegengesetzte Richtung wird eine nach innen verlaufende Spirale durchfahren.
Durch diese Anordnung und Ausrichtung beider Dampfquellen 6 ist eine nahezu gleichmäßige Schichtdickenverteilung quer zur Substrattransportrichtung 7 gewährleistet. Zum einen führt die Superposition der räumlichen Dampfströme 19 beider Dampfquellen 6 zu einer quer zur Transportrichtung 7 ausgeglichenen Dampfdichteverteilung über die Substratbreite. Zum anderen vermeiden die resultierenden Bewegungsbahnen der Tiegel thermische Unstetigkeiten im Verdampfungsmaterial 3 und erlauben somit langzeitstabile Beschichtungsprozesse mit konstanter Beschichtungsrate.
Anstelle der zwei Tiegel 15 kann auch eine größere Anzahl mit anderen Geometrien angeordnet sein, solange die beschriebenen Bewegungsbahnen der Tiegel 15 realisierbar sind.
2B stellt eine Variante zur Bewegung der beiden Tiegel 15 unter einem bandförmigen Substrat gemäß 2A dar. Hinsichtlich der Anordnung der beiden Tiegel 15 zueinander und zum Band 1 kann auf die Darlegungen zu 2A verwiesen werden. Abweichend von 2A werden in jedem Tiegel 15 zwei Dampfquellen 6 erzeugt, die im Ausführungsbeispiel auf einer Linie parallel zur Substrattransportrichtung 7 und mit unterschiedlichem Abstand zur Rotationsachse 10 liegen und zwar bei einem und bei zwei Drittel des Tiegelradius. Zahl und Anordnung der Dampfquellen 6 pro Tiegel 15 dient der Optimierung der Materialausnutzung, wobei auch andere Positionen der Dampfquellen 6 zueinander realisierbar sind. Hin sichtlich der Erzeugung der Dampfquellen 6 wird ebenfalls auf obige Darlegungen verwiesen.
Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 2B führen beide eine Eigenrotation um ihre Rotationsachsen 10 aus, wiederum mit gegenläufigem Drehsinn. Die zweite Drehbewegung jedes Tiegels 15 erfolgt jedoch jeweils um eine virtuelle Drehachse 10, die seitlich des Bandes 1, außerhalb der Vakuumkammer 12 liegt. Diese beiden Drehachsen 10 liegen ebenfalls symmetrisch zur Symmetrieachse 8 des Bandes 1. Jeder Tiegel 15 wird um diese virtuelle Drehachse 10 hin und zurück geschwenkt, mit zwei Umkehrpunkten in der Schwenkbahn, so dass beide Auftrefforte der Elektronenstrahlen 18, in denen die Dampfquellen 6 entstehen, stets innerhalb des Tiegels 15 bleiben. Je nach Länge der Schwenkbewegung in der einen oder der anderen Richtung resultieren aus der Überlagerung der beiden Bewegungen zwei getrennte Spiralen, eine innere und eine äußere, oder zwei Spiralen, die in einem Ring ineinander greifen.
Die Bewegungen der beiden Tiegel 15 gemäß 2B werden durch zwei getrennte Tiegelsysteme 2, die beide einen der Tiegel umfassen, mit jeweils einer eigenen Bewegungseinrichtung 16 ausgeführt.
Abweichend zu 2B werden in der Ausführungsform gemäß 2C die beiden um ihre Rotationsachse 10 jeweils rotierenden Tiegel 15 um eine gemeinsame, virtuelle Drehachse 10 geschwenkt, die wiederum außerhalb der Vakuumkammer 12 liegt. Solche Bewegungen beider Tiegel 15 können alternativ mit einem gemeinsamen oder mit zwei getrennten Bewegungseinrichtungen 16 ausgeführt werden. Die Anordnung der Dampf quellen 6 entspricht in 2C jener in 2A. Andere Anordnungen sind möglich.

1: Substrat, Band
2: Tiegelsystem
3: Verdampfungsmaterial
4: Randbereich
6: Dampfquelle
7: Substrattransportrichtung
8: Symmetrieachse des Substrats oder des Bandes
9: Bewegungsrichtungen des Tiegels
10: Rotationsachse, Mittelpunkt des Tiegels
12: Vakuumkammer
13: Vakuumerzeuger
14: Transportsystem
15: Tiegel
16: Bewegungseinrichtung
17: Elektronenstrahleinrichtung
18: Elektronenstrahl
19: Dampfstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DD 64635 [0007]
- JP 62180068 A [0008]
- DE 69810704 T2 [0008]
- DE 4444538 C2 [0009, 0010]
- DD 64635 A [0010]
- DE 102007008674 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur langzeitstabilen Beschichtung von Substraten (1), welche durch eine Beschichtungskammer bewegt und dabei beschichtet werden, indem in einem Tiegel (15) angeordnetes Verdampfungsmaterial (3) mittels eines Elektronenstrahls (18) verdampft und auf dem Substrat (1) abgeschieden wird, wobei der Elektronenstrahl (18) auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials (3) eine punktförmige oder kleinflächige Quelle des auf dem Substrat (1) abzuscheidenden Dampfes, nachfolgend als Dampfquelle (6) bezeichnet, erzeugt und der Tiegel (15) mit dem Verdampfungsmaterial (3) relativ zur Dampfquelle (6) derart in einer Ebene bewegt wird, dass die Oberfläche des Verdampfungsmaterials (3) dem Substrat (1) während dessen Beschichtung gegenüber liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelbewegung sich aus zwei Drehbewegungen des Tiegels (15) um zwei Drehachsen (10) zusammensetzt und dass die Position der Dampfquelle (6) relativ zur Geometrie der Beschichtungskammer stationär bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Drehachsen (10) die zentrische Achse des Tiegels (15) ist, nachfolgend als Rotationsachse (10) bezeichnet, so dass der Tiegel (15) eine Eigenrotation ausführt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Drehachsen (10) unendlich weit vom Substrat (1) entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Drehbewegung des Tiegels (15) um die unendlich entfernte Drehachse (10), im Folgenden als translatorische Bewegung bezeichnet, um solch einen Wert geringer ist als die Geschwindigkeit der Bewegung um die Rotationsachse (10), dass eine spiralförmige Bewegungsbahn entsteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der beiden Bewegungen derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Verdampfungsmaterials (3) bezogen auf die Dampfquelle (6) gleich bleibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Drehbewegungen des Tiegels (15), deren Drehachse (10) keine Rotationsachse (10) des Tiegels (15) ist, ein zyklische Hin- und Rückbewebung zwischen Umkehrpunkten ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der Drehbewegungen einen Umkehrpunkt dann aufweist, wenn die Dampfquelle (6) den Randbereich (4) des Tiegels (15) erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsrate ermittelt wird und die Geschwindigkeit einer der Drehbewegungen bei Annäherung an einen Umkehrpunkt und der Entfernung davon derart verändert wird, dass Schwankungen in der Beschichtungsrate infolge der Umkehr der Drehbewegung kompensiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge zwischen zwei Umkehrpunkten nach einer oder mehreren Richtungsänderungen verkürzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit mehr als einem Tiegel (15) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der Drehachsen (10) von zumindest zwei Tiegeln (15), welche keine Rotationsachse (10) eines der Tiegel (15) ist, zusammenfallen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Dampfquelle (6) auf einem Tiegel (15) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Tiegels (15) erfasst wird und mit diesem Signal die Leistung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (18), der Elektronenstrahleinrichtung (17), gesteuert wird, um die Beschichtungsrate konstant zu halten.
Vorrichtung zur langzeitstabilen Beschichtung von Substraten (1), welche durch eine Beschichtungskammer bewegt und dabei beschichtet werden, mit einem Transportsystem (14) zum Transport des Substrats (1) durch die Beschichtungskammer, mit einer Elektronenstrahleinrichtung (17) zur Erzeu gung eines Elektronenstrahls (18) und mit einem Tiegelsystem (2) mit zumindest einem beweglichem Tiegel (15) zur Aufnahme von Verdampfungsmaterial (3), welches dem Substrat (1) gegenüber liegend angeordnet ist und auf das der Elektronenstrahl (18) zur Bildung einer punktförmigen oder kleinflächigen Quelle des auf dem Substrat (1) abzuscheidenden Dampfes, nachfolgend als Dampfquelle (6) bezeichnet, gerichtet ist dadurch gekennzeichnet, dass das Tiegelsystem (2) eine Bewegungseinrichtung (16) umfasst, mittels welcher der Tiegel (15) um zumindest zwei Drehachsen (10) gleichzeitig drehbar ist, die senkrecht zu jener Ebene stehen, die im Mittel durch die Oberfläche des Verdampfungsmaterials (3) aufgespannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Drehachsen (10) die Rotationsachse (10) des Tiegels (15) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Drehachsen (10) unendlich weit vom Substrat (1) entfernt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiegelsystem (2) zumindest zwei Tiegel (15) umfasst, dessen Bewegungseinrichtung (16) die Tiegel (15) gleichzeitig bewegt, und dass jedem Tiegel (15) eine Elektronenstrahleinrichtung (17) zur Erzeugung einer Dampfquelle (6) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegungen der zumindest zwei Tiegel (15) unabhängig voneinander ausführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegungen der Tiegel (15) mit für jeden Tiegel (15) separaten Drehachsen (10) ausführbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest zwei Tiegelsysteme (2) umfasst, wobei jedem Tiegel (15) eine Elektronenstrahleinrichtung (17) zur Erzeugung einer Dampfquelle (6) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Tiegeln (15) und zwar paarweise und das Paar symmetrisch zu einer Symmetrieachse (8) des Substrats (1) angeordnet sind.