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Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektronenstrahlverdampfung zur Beschichtung von Substraten. Es betrifft insbesondere Verfahren und Vorrichtung zur Elektronenstrahlverdampfung von dielektrischen Materialien.
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In diesem Verfahren wird die zu verdampfende Substanz, das Verdampfungsgut, in einem geeigneten, offenen Behälter, allgemein als Tiegel bezeichnet, im Vakuum mittels eines Elektronenstrahls auf eine hinreichend hohe Temperatur erwärmt. Das thermisch freigesetzte dampfförmige Material breitet sich zum Substrat hin aus und scheidet sich darauf als Schicht ab. Das Substrat ist dabei über dem Verdampfungsgut angeordnet oder wird kontinuierlich darüber hinweg bewegt. In einer Durchlaufanlage erfolgt dieser Prozess kontinuierlich, indem der Anlage fortlaufend zu beschichtende Substrate, entweder eine Aufeinanderfolge von Einzelsubstraten oder ein bandförmiges Substrat, zugeführt werden.
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Eine zur Elektronenstrahlverdampfung geeignete Vorrichtung umfasst eine Verdampfungskammer und darin eine Elektronenstrahleinrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls sowie ein Tiegelsystem zur Aufnahme von Verdampfungsgut, welches dem aktuell zu beschichtenden Substrat oder dem Substratabschnitt gegenüberliegend angeordnet ist. Der Elektronenstrahl ist zur Bildung einer Dampfquelle auf das Verdampfungsgut gerichtet.
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Als Dampfquelle wird allgemein der Teil des Verdampfungsguts bezeichnet, von dem sich infolge der Energiezufuhr dampfförmiges Beschichtungsmaterial ausbreitet. Die Dampfquellen können je nach Art und Menge der Energiezufuhr sowie in Abhängigkeit vom Material des Verdampfungsguts klein- oder großflächig sein und dabei verschiedene geometrische Gestalt haben oder sie nehmen die gesamte freie Oberfläche des Verdampfungsguts ein. Für verschiedene Verdampfungsgutmaterialien und Beschichtungsaufgaben werden verschiedene Systeme von Dampfquellen eingesetzt, wobei es häufig wichtig ist, eine definierte Fokussierung und gegebenenfalls auch Führung eines Elektronenstrahls auf dem oder über das Verdampfungsgut zu realisieren. Dies erfordert unter anderem eine ausreichende elektrische Ableitung der auf das Verdampfungsgut treffenden Elektronen.
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Für elektrisch isolierende Materialien ist die Elektronenableitung über das Verdampfungsgut und den Tiegel zur Anlagenmasse nicht oder nur eingeschränkt möglich. Infolge dessen weicht der Elektronenstrahl entweder zu einem auf Massepotential liegenden Anlagenteil aus, was zu dessen Schädigung oder gar Zerstörung führen kann, oder er springt stochastisch über das Verdampfungsgut, was den Verdampfungs- und damit den Bedampfungsprozess ändert und auch destabilisiert.
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Darüber hinaus kann es zur Erreichung bestimmter Prozess- und Schichtparameter notwendig sein, Elektronenstrahlleistung und Prozessdruck so einzustellen, dass der Prozess sich an der Grenze zu der beschriebenen Instabilität befindet. Insbesondere für längere Prozesszeiten können zunehmende Rauheit des Verdampfungsgutes und/oder veränderte Einfallswinkel des Elektronenstrahls einen Leistungseintrag unterhalb eines stabilisierenden Schwellwertes verursachen.
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Zur Erkennung instabiler Prozesszustände bei Band- oder Durchlaufanlagen ist eine nachgelagerte Messung der Beschichtungsdicke nutzbar, aus der auf die Bedampfungsrate geschlossen werden kann. Von Nachteil ist jedoch, dass die nachgelagerte Messung der Beschichtungsrate die Instabilität nur zeitlich verzögert misst, wodurch ein hoher Verlust an undefiniert beschichtetem Substrat auftreten kann, abhängig vom örtlichen Abstand zwischen Beschichtungs- und Messort und von der Transportgeschwindigkeit der Einzelsubstrate oder des bandförmigen Substrats.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vakuumverdampfung anzugeben, welche es gestattet, Prozessinstabilitäten insbesondere bei der Verdampfung dielektrischer Materialien schnell, mittels reproduzierbarer Messwerte präzise, insbesondere auch in der Nähe der Stabilitätsgrenze des Prozesses, und automatisierbar festzustellen.
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Erfindungsgemäß wird ein Zustand instabiler Prozessführung des Verdampfungsprozesses infolge eines Zustands der eingangs beschriebenen undefinierten Fokussierung und/oder nicht mehr definiert möglichen Führung des Elektronenstrahls über das Verdampfungsgut durch Messung einer Änderung eines solchen physikalischen Parameters des Verdampfungsprozesses detektiert, welcher nicht direkt mit der Erzeugung des Elektronenstrahls verbunden ist. Es wurde festgestellt, dass ein solcher Zustand außer durch eine stark schwankende, häufig drastisch verringerte Bedampfungsrate auch durch weitere physikalische Parameter gekennzeichnet ist, die nicht mit eventuell veränderten Parametern der Elektronenkanone korreliert.
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Die Nutzung dieser Parameter gestattet eine Erkennung undefinierter Zustände unmittelbar bei ihrem Auftreten und darüber hinaus die Verwendung von Sensorsignalen, die durch ein automatisiertes Steuerungssystem auswertbar und in Steuersignale wandelbar sind. Auf eine nicht mehr gegebene definierte Prozessführung und eine mögliche Gefahr für Anlagenteile kann schnell reagiert werden, da im laufenden Prozess unmittelbar und automatisiert Einfluss genommen werden kann auf die Stabilität des Verdampfungsprozesses. Dies stellt eine gute Basis dar, um auch Prozesse, die in der Nähe der oben beschriebenen Stabilitätsgrenze arbeiten, beherrschbar zu gestalten.
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Dies ist insbesondere auch dadurch möglich, dass es ausreichend ist die Änderung eines der physikalischen Parameter zu erfassen, um eine Aussage treffen zu können, ob der Prozess noch stabil läuft oder nicht. Das bedeutet, für die Einflussnahme oder Steuerung des Prozesses reicht ein binäres Signal, eine Positiv- oder Negativaussage, wenn die mit dem Eintreten undefinierter und instabiler Zustände bekannten Grenzwerte z. B. durch vorab durchgeführte oder parallele Referenzmessungen bekannt sind.
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Die Verwendung der physikalischen Parameter des Verdampfungsprozesses und nicht des Elektronenstrahls und die mögliche Reduktion des erforderlichen Sensorsignals auf eine Positiv- oder Negativaussage gestattet die Anwendung für alle möglichen Konstellationen der Dampfquelle, z. B. kleinflächige, lineare oder großflächige, auch die gesamte Oberfläche des Verdampfungsguts umfassende Dampfquellen.
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Entsprechend verschiedener Ausgestaltungen des Verfahrens werden als physikalische Parameter die Farbe oder die Intensität oder die Intensitätsverteilung des von einer Dampfquelle ausgestrahlten Lichts oder eine Kombination davon oder der Totaldruck oder ein Partialdruck im Verdampfungsraum oder die im Verdampfungsraum vorhandene Ladungsdichte mit zumindest einem jeweils dafür geeigneten Sensor gemessen. Das erfindungsgemäße Verfahren schließt auch die Kombination von zwei oder mehr physikalischen Parametern ein.
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In Abhängigkeit vom zu verdampfenden Material erfolgen verschiedene Änderungen des von der Dampfquelle ausgesendeten Lichts. Für die oben beschriebene unmittelbare Steuerung des Verdampfungsprozesses sind insbesondere die mit der Materialtemperatur stets eng verknüpfte Farbe des Lichts, dessen Intensität und Intensitätsverteilung geeignet. Beispielsweise erhöht sich bei der Verdampfung von Siliziumoxid der Rotanteil und verringert sich die Intensität bei einer Verringerung der Temperatur des Materials in der Dampfquelle. Eine vergleichbare Änderung des Lichts ist auch bei der Verkleinerung oder Verschiebung der Dampfquelle im Tiegel festzustellen.
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Für viele Anwendungsfälle ist es somit möglich, den verwendeten optischen Sensor nicht direkt auf das Verdampfungsgut ausrichten zu müssen, so dass dieser vor thermischen Einflüssen oder vor Beschichtungen geschützt angeordnet werden kann. Häufig ist es ausreichend den Sensor an irgendeiner Stelle in den Verdampfungsraum blicken zu lassen, ohne dass eine direkte Sicht des Sensors auf das Verdampfungsgut besteht. Auch eine Anordnung außerhalb der Verdampfungskammer hinter einem Sichtfenster ist möglich. Diese Optionen vervielfältigen die technischen Möglichkeiten sowohl hinsichtlich des Sensors selbst als auch der ergänzenden Komponenten, wie z. B. Spiegeln oder Filtern, oder der Datenweiterleitung, da bekanntermaßen z. B. Lichtwellenleiter temperaturempfindlich sind.
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Vergleichbar gut zu handhabende Messmittel und Messmethoden stehen bei der Messung des Totaldrucks oder eines Partialdrucks zur Zustandsdetektierung des Verdampfungsprozesses zur Verfügung. Für diese Ausgestaltung wird ausgenutzt, dass mit einer schwankenden Verdampfungsrate aufgrund undefinierter Zustände ein Schwanken der Druckverhältnisse im Verdampfungsraum einhergeht. Die betrifft sowohl den Totaldruck als auch den Druck einzelner Gaskomponenten, wie z. B. dem durch die Verdampfung oxidischer oder nitridischer dielektrischer Materialien frei gesetztem Sauerstoff oder Stickstoff.
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Auch die Druckmessung gestattet es, die verwendeten Drucksensoren geschützt vor Beschichtung oder Wärmeeintrag abseits des Prozessortes anzuordnen, und erhöht so die messtechnischen Möglichkeiten.
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Ein weiterer physikalischer Parameter, der einen oben beschriebenen unmittelbaren Rückschluss auf den Zustand des Verdampfungsprozesses gestattet, ist die Ladungsträgerdichte an einem beliebigen Ort in der Verdampfungskammer. Wie oben dargelegt, gestattet die Art des auszuwertenden Signals an sich und dessen Bereitstellung eine schnelle, auch automatisierte Einflussnahme auf den Verdampfungsprozess. Neben den bekannten und naheliegenden Maßnahmen, bei denen bei einer festgestellten Instabilität des Verdampfungsprozesses die Leistung und oder die Fokuseinstellung der Elektronenstrahlkanone verändert wird, werden entsprechend verschiedener Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Prozessparameter geändert, die unmittelbar mit den gemessenen in Verbindung stehen.
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So wird in einer Ausgestaltung bei einer festgestellten Instabilität des Verdampfungsprozesses der Totaldruck im Verdampfungsraum durch Einlass eines Gases oder eines Dampfes zumindest zeitweise erhöht wird. Diese Maßnahme hat direkten Einfluss auf das Verhalten des Elektronenstrahls und bietet verschiedene Alternativen, die sehr genau und reproduzierbar zu handhaben sind.
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So kommen als einzuleitendes Gas alle am Prozess beteiligten Gaskomponenten in Frage, auch solche, die infolge des Verdampfungsprozesses aus dem Verdampfungsgut freigesetzt werden, wie z. B. Sauerstoff und Stickstoff. Auch ein inertes Arbeitsgas, meist Argon, ist verwendbar. Überraschender Weise wurde festgestellt, dass auch den Prozess nicht störende Dämpfe, wie z. B. Wasserdampf, den gleichen stabilisierenden Effekt ausüben.
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Der Gas- oder Dampfeinlass kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise wird der Totaldruck erhöht, indem die Gaseinlassmenge unmittelbar oder schrittweise auf einen Maximalwert erhöht wird, z. B. unter Nutzung eines Massenflussreglers. Anschließend wird der neu eingestellte Druck aufrecht erhalten. Alternativ kann ein Maximalwert sehr schnell eingestellt und anschließend oder nach festgestellter Stabilisierung wieder auf den für den Verdampfungsprozess zuvor eingestellten Normalwert abgesenkt werden. Eine sehr schnelle Totaldruckerhöhung ist z. B. durch eine Expansion von Gas oder Dampf in den Verdampfungsraum zu erzielen, welches sich zuvor auf einem definierten, gegenüber dem Normaldruck des Verdampfungsprozesses höheren Druck in einem definierten und abgetrennten Volumen befindet.
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Alternativ oder ergänzend können in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Stabilisierung des Verdampfungsprozesses auf oder über der Oberfläche des Verdampfungsguts zusätzliche Ladungsträger zur Verfügung gestellt werden. Diese können selbst zur elektrischen Ableitung der überschüssigen Elektronen beitragen und/oder andere Gas- oder Dampfteilchen ionisieren. Auch hierfür stehen verschiedene Alternativen zur Verfügung. So können die Ladungsträger z. B. als ionisiertes Gas oder Dampf über die Oberfläche des Verdampfungsguts beschleunigt oder anderweitig verbracht werden. Auch das Verdampfungsgut selbst ist als Ladungsträgerquelle verwendbar, z. B. durch geeignete Dotierung.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann bei einer festgestellten Instabilität des Verdampfungsprozesses vor oder während der Einflussnahme auf den Prozess zu dessen Stabilisierung eine geeignete Meldung an das Bedien- oder Überwachungspersonal erfolgen. Üblicherweise werden dazu akustische oder optische Warnsignal ausgegeben oder Meldungen an die Steuereinheit generiert und dort zur Anzeige gebracht.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 eine Bedampfungskammer mit einer Verdampfungsvorrichtung zur Elektronenstrahlbedampfung von Substraten im Durchlaufverfahren in einem Vertikalschnitt;
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2A eine Bedampfungskammer mit Verdampfungsvorrichtung und einer Messeinrichtung zur Messung des von der Dampfquelle ausgesendeten Lichts in verschiedenen Anordnungen;
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2B eine Bedampfungskammer mit Verdampfungsvorrichtung und einer Messeinrichtung zur Messung des abfließenden Ladungsstromes oder des durch die abfließenden Ladungen hervorgerufenen Spannungsabfalls und
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2C eine Bedampfungskammer mit Verdampfungsvorrichtung und einer Messeinrichtung zur Messung des Total- oder Partialdrucks.
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1 zeigt eine unter Vakuum stehende Bedampfungskammer 4 zur Elektronenstrahlbedampfung einer Vielzahl von Substraten 1 oder eines kontinuierlich durchlaufenden bandförmigen Substrats 1 im Durchlaufverfahren. Zu diesem Zweck wird jedes der Substrate 1 mittels eines Transportsystems 2 in Transportrichtung 3 durch zumindest die dargestellte Bedampfungskammer 4 transportiert und dabei mittels Vakuumbedampfung beschichtet. Die Beschichtung kann reaktiv oder nichtreaktiv erfolgen. Zur Herstellung des Vakuums steht die Bedampfungskammer 4 mit einem Vakuumerzeuger 5 in Verbindung. Seitlich weist die Bedampfungskammer 4 einen Gaseinlass 16 auf, der zum regelbaren Einlass von Gas und/oder Dampf zur Erhöhung des Totaldrucks zur oben beschriebenen Stabilisierung des Verdampfungsprozesses nutzbar ist.
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In der Bedampfungskammer 4 erfolgt die Verdampfung des Schichtmaterials, allgemein als Verdampfungsgut 6 bezeichnet, so dass hier Bedampfungskammer 4 und Verdampfungskammer zusammenfallen.
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Zur Beschichtung wird das Verdampfungsgut 6, im Ausführungsbeispiel SiO2, verdampft. Die Verdampfungsvorrichtung umfasst einen offenen Tiegel 7, in welchem das Verdampfungsgut 6 angeordnet ist, eine Elektronenstrahlkanone 10 zur Erhitzung und Verdampfung des Verdampfungsguts 6 mittels eines Elektronenstrahls 8 in einer die Teil- oder Gesamtoberfläche des Verdampfungsguts 6 umfassenden Dampfquelle. Die Darstellung der Elektronenstrahlkanone 10 oberhalb des Substrats 1 erfolgt lediglich schematisch. Die Elektronenstrahlkanone 10 ist stets so angeordnet, dass der Elektronenstrahl 8 direkt auf das Verdampfungsgut 6 trifft. Die Elektronenstrahlkanonen sind dabei so angeordnet, dass der Elektronenstrahl neben dem Substrat verläuft. Die schematischen Darstellungen zeigen prinzipiell die Seitenansicht einer Beschichtungsanordnung.
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Der von der Dampfquelle 12 aufsteigende Dampf breitet sich räumlich in der typischen Keulenform in Richtung zum Substrat 1 aus und schlägt sich darauf als Schicht nieder. Der Elektronenstrahl 8 wird mittels einer Elektronenstrahleinrichtung 10 erzeugt. Der Elektronenstrahl ist auf das Verdampfungsgut 6 gerichtet und überstreicht dessen Oberfläche.
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In 2A bis 2C ist die Bedampfungskammer 4 gemäß 1 mit den verschiedenen Sensoren in verschiedenen Anordnungen dargestellt. Die übrigen, mit der Vorrichtung in 1 übereinstimmenden Komponenten sind mit demselben Bezugszeichen versehen. Zu deren Beschreibung wird auf die Darlegungen zu 1 verwiesen.
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Gemäß der 2A umfasst die Bedampfungskammer 4 weiterhin eine Messeinrichtung zur Messung von physikalischen Parametern des Verdampfungsprozesses. Diese umfasst wiederum zumindest einen Sensor 20, der für den zu überwachenden physikalischen Parameter geeignet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2A ist dies ein lichtsensitiver Widerstand zur Messung der Lichtintensität des von der Dampfquelle 12 ausgesendeten Lichts. Dargestellt sind von drei separaten Sensoren 20 drei grundsätzlich mögliche Orte, an denen die Messung erfolgen kann. Es ist selbstverständlich, dass auch nur einer oder zwei davon oder andere Orte verwendbar sind für das oben beschriebene Verfahren.
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Der erste lichtsensitive Widerstand 20.1 ist z. B. an einer Stelle angeordnet, an der er eine direkte Sicht auf das Verdampfungsgut 6 hat und dessen Dampf und auch der vom Tiegel ausgehenden Wärmestrahlung nahezu ungeschützt ausgesetzt ist Die direkte Sicht gestattet es jedoch auch ein unkontrolliertes Wandern von z. B. kleinflächigen Dampfquellen 12 zu erfassen, selbst wenn damit noch keine Änderungen des Lichts in der Bedampfungskammer 4 feststellbar sind.
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Der zweite lichtsensitive Widerstand 20.2 ist beispielhaft außerhalb der Bedampfungskammer 4 hinter einem Sichtfenster angeordnet. Hier ist der Sensor 20 vor Dampf und Wärmestrahlung geschützt, eine Wartung ist einfach und nur in größeren Zeitabständen erforderlich und es sind im Fenster z. B. Filter zur wellenlängenabhängigen Messung einsetzbar.
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Einen verbesserten Schutz bei Anordnung des Sensors 20 in der Bedampfungskammer 4 ist mit der dargestellten Anordnung des dritten lichtsensitiven Widerstands 20.3 erzielbar. Dieser ist nicht oder nur in geringem Maße Bedampfung und Wärmestrahlung ausgesetzt. Dies wäre z. B. unterhalb oder neben dem Tiegel 7 möglich, solange der Sensor 20.3 nicht durch Einbauten in der Bedampfungskammer überwiegend beschattet ist. Diese Anordnung verlängert die Wartungsabstände, insbesondere da kein oder nur geringer Dampf auf dem Sensor kondensiert.
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Die Ausgestaltung nach 2B umfasst zwei mögliche Anordnungen für Auffängerelektroden als Sensor 20. Diese extrahieren aus der Umgebung des Verdampfungsguts Ladungsträger und messen entweder mittels eines Strommessers 26 oder eines Spannungsmessers 27, beide nur schematisch durch Widerstand und Messgerät dargestellt, die prozeßabhängig auf die Elektroden auftreffende Ladungsmenge.
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Da dieser Sensor 20 als dreidimensionaler Körper immer eine dem Dampfstrom abgewandte Seite besitzt, die nicht mit von der aufwachsenden dielektrischen Schicht bedeckt wird, können die Ladungen zumindest nach Auftreffen auf der abgewandten Seite detektiert werden. Insbesondere können geschlitzte und/oder gelochte Bleche oder hinterschnittene Geometrien dazu dienen, bei vorderseitiger Beschichtung mit dielektrischen Materialien die Ladungen nach Durchtritt durch die Öffnungen im Sensor zu detektieren.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Auffängerelektroden 20 unterhalb der Ebene des Substrats 1 neben dem Tiegel 7 angeordnet. Um Streudampf aus der Dampfwolke 14 weitestgehend fern zu halten, kann in der unmittelbaren Umgebung der Sensoren 20 ein sekundärer Gaseinlass (nicht näher dargestellt) angeordnet sein, durch welchen geringe Mengen von Prozessgas, je nach Beschichtungsprozess und Ausgestaltung der Vorrichtung Arbeits- oder Reaktivgas, zum Sensor 20 strömt.
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In der dritten Ausgestaltung gemäß 2C wird ein Drucksensor 20 als Sensor 20 zur Messung des Total- oder Partialdrucks als physikalischer Parameter verwendet. Hier sind übliche Drucksensoren verwendbar, wobei auch in dieser Ausgestaltung die Wartungsabstände verlängert werden können, wenn wie oben zur Auffängerelektrode beschrieben ein leichter Gasstrom zum Sensorzugang diesen von Dampf frei hält.
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Auch wenn der Erfindung Problemstellungen bei der Beschichtung mit dielektrischen Materialien zugrunde liegen, sind die beschriebenen messtechnischen und Steuerungsmaßnahmen nichtzwangsläufig auf diese Beschichtungsmaterialen beschränkt und können auch für andere Materialien zur Detektion von Prozessinstabilitäten und deren Beseitigung verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- Transportsystem
- 3
- Transportrichtung
- 4
- Bedampfungskammer, Verdampfungskammer
- 5
- Vakuumerzeuger
- 6
- Verdampfungsgut
- 7
- Tiegel
- 8
- Elektronenstrahl
- 10
- Elektronenstrahlkanone
- 12
- Dampfquelle
- 16
- Gaseinlass
- 20
- Sensor, lichtsensitiver Widerstand, Auffängerelektrode, Drucksensor
- 20.1
- erster lichtsensitiver Widerstand
- 20.2
- zweiter lichtsensitiver Widerstand
- 20.3
- dritter lichtsensitiver Widerstand
- 22
- Fenster
- 26
- Strommesser
- 27
- Spannungsmesser
