DE102013100942A1

DE102013100942A1 - Verfahren zur Reglung der Verdampfungsrate bei Elektronenstrahlverdampfungsprozessen

Info

Publication number: DE102013100942A1
Application number: DE201310100942
Authority: DE
Inventors: Steffen Berger; Tilo Wünsche
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Verdampfungsrate in einer Vakuumbeschichtungsanlage, bei dem aus einer Beschichtungsquelle, an einem Verdampfungsort ein Verdampfungsgut verdampft wird, wobei eine Verdampfungsrate in einer Vakuumkammer bestimmt und durch einen Regelalgorithmus mit einem Smith-Prädiktor und einer totzeitbehafteten gemessenen Schichteigenschaft über einen Regler eingestellt wird. Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, die Abhängigkeiten des Verdampfungsguts durch geeignete Modelle abzubilden und die Unterschiede in der Abscheiderate auszuregeln. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zum Ausgleich lokal unterschiedlicher Eigenschaften des Verdampfungsgutes ein Abbildungsmodell für eine lokale Verdampfungsrate und eine lokale Elektronenstrahlleistung über einer Beschichtungsquelle aufgenommen und in einem Vorfilter in den Regelalgorithmus integriert und mit dem Smith-Prädiktor rechnerisch kombiniert und dem Regler übergeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Verdampfungsrate in einer Vakuumbeschichtungsanlage, bei dem aus einer Beschichtungsquelle, an einem Verdampfungsort ein Verdampfungsgut verdampft wird, wobei eine Verdampfungsrate in einer Vakuumkammer bestimmt und durch einen Regelalgorithmus mit einem Smith-Prädiktor und einer totzeitbehafteten gemessenen Schichteigenschaft über einen Regler eingestellt wird.
Die Beschichtung von bandförmigen Substraten, bspw. Metallband oder Folien erfolgt in der Regel in Durchlaufanlagen, in denen das Substrat an mindestens einer Beschichtungsquelle kontinuierlich vorbeibewegt wird. Dabei wird aus der Beschichtungsquelle, die im Folgenden auch als Verdampfer bezeichnet wird, mindestens eine Schicht mit einer Schichtdicke abgeschieden. Im bisherigen Stand der Technik wurde die Dicke einer bspw. durch Elektronenstrahlverdampfen abgeschiedenen Schicht durch die Leistung des Elektronenstrahls und der Strahlfigur eingestellt. Die Anpassung bzw. Regelung erfolgte durch Beschichtung von Dehnmessstreifen, Schwingquarzen und Gewichtssensoren ( JP 000004116166 AA ).
Andere Verfahren nutzen Daten des Prozesses wie die Tiegeltemperatur, die optische Emission des durch den Elektronenstrahl erzeugten Plasmas, die durch den Elektronenstrahl erzeugte Röntgenstrahlung oder durch spezielle Detektoren gemessene Rückstreuelektronen. Als Regelung der Schichteigenschaften wurde meist ein PID-Regler verwendet.
Bei der Nutzung von Schichteigenschaften in Durchlaufanlagen entstehen große Totzeiten beim Transport des Substrates zwischen Verdampfungsort und Messstelle. Als Verdampfungsort wird dabei die Stelle bezeichnet, an dem das abzuscheidende Material vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Wird ein Substrat an dem Verdampfungsort vorbeigeführt, kondensiert das gas- oder dampfförmige Material auf dem zu beschichtenden Substrat und bildet die gewünschte Schicht. Die Messstelle wiederum wird durch den Ort definiert, an dem eine Schichteigenschaft, bspw. die Schichtdicke der so gebildeten Schicht, gemessen wird. Die Zeitspanne, die beim Transport des Substrates vom Verdampfungsort zur Messstelle vergeht, wird als Totzeit bezeichnet. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass für stark totzeitbehaftete Systeme Smith-Prädiktoren verwendet werden.
In der DE 10 2011 008 047 A1 wird ein Regelalgorithmus mit einem Smith-Prädiktor offenbart, der eine schnelle Regelung trotz großer Totzeit ermöglicht. Dabei erfolgt für eine bessere Schichtdickenhomogenität die Regelung über die Leistung des Elektronenstrahls und/oder der Transportgeschwindigkeit des Substrates als Stellgröße.
Allerdings wird der Einfluss des Zustandes des Verdampferguts, die Alterung des Verdampferguts, die Temperatur und die laterale Verteilung der Eigenschaften des Verdampferguts bei der Regelung bisher nicht berücksichtigt, wodurch es zu erheblichen Abweichungen in den abgeschiedenen Schichtdicken trotz Herausregelung der Totzeit zwischen Verdampfungsort und Messstelle kommt.
In einer Vakuumbeschichtungsanlage kann ein Verdampfer als Tiegel ausgebildet sein. Aus einem initial eben gefüllten Tiegel wird während des Bedampfungsprozesses sukzessive Material derart verbraucht, dass sich ein Oberflächenprofil (eine Art Hügellandschaft) ausbildet. Dieses sich im Verlauf des Prozesses immer stärker ausprägende Oberflächenprofil hat Schwankungen in der Verdampfungsrate zur Folge. Die Verdampfungsrate wird in der Vakuumkammer bestimmt und mittels Smith-Prädiktor, sowie gemäß DE 10 2011 008 047 A1 unter Zuhilfenahme der zeitversetzt gemessenen Schichtdicken eingestellt. Dabei wird die Verdampfungsrate primär über die Elektronenstrahlleistung eingestellt. Dabei konnten Störfaktoren im Sinne zufälliger Fehler, wie Schwankungen des Kammerdrucks, der Substrattemperatur und -geschwindigkeit, sowie Störfaktoren im Sinne systematischer Fehler, wie der Tiegelinhalt hinsichtlich des besagten Profils, Verdichtung und Granularität, sowie Temperatur und Stöchiometrie des Verdampfungsguts bisher nicht berücksichtigt werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, die Abhängigkeiten des Verdampfungsguts durch geeignete Modelle abzubilden und die Unterschiede in der Abscheiderate auszuregeln.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zum Ausgleich lokal unterschiedlicher Eigenschaften des Verdampfungsgutes ein Abbildungsmodell für eine lokale Verdampfungsrate und eine lokale Elektronenstrahlleistung über einer Beschichtungsquelle aufgenommen und in einem Vorfilter in den Regelalgorithmus integriert und mit dem Smith-Prädiktor rechnerisch kombiniert und dem Regler übergeben wird. Lokal unterschiedliche Eigenschaften bedeuten dabei, dass für jede Koordinate des Tiegels, dort wo der Elektronenstrahl auf das Verdampfungsgut auftrifft, die Eigenschaften bezüglich des Verdampfungsgutes, der Elektronenstrahlleistung und der Verdampfungsrate in das Abbildungsmodell aufgenommen werden. Dabei benutzt der Smith-Prädiktor zusätzlich zur gemessenen Schichtdicke, aus der dieser die vor der Totzeit zur resultierenden Rate eingetragene Leistung bestimmt hat und für konstante Raten sowie Schichtdicken nachregelt, auch mindestens einen Korrekturwert aus dem Abbildungsmodell und regelt damit die Leistung korrigierend nach. Zum gleichmäßigen flächigen Verdampfen des Verdampfungsgutes einer Beschichtungsquelle, welche als Rechtecktiegel oder als Dreh-Pendel-Tiegel ausgebildet ist, wird der Tiegel in einem vordefinierten Muster unter dem Elektronenstrahl hindurch geführt. Dabei wird ein Hindurchführender gesamten Tiegeloberfläche unter dem Elektronenstrahl als Überlauf bezeichnet.
Das vordefinierte Muster wird dabei in eine Primär- und eine Sekundärbewegung unterteilt, wobei je nach Ausbildung der Form des Tiegels als Rechtecktiegel oder als Dreh-Pendel-Tiegel die Primärbewegung in eine x- oder radiale-Richtung und die Sekundärbewegung in eine y-Richtung oder axiale Rotation unterteilt wird.
Bei jedem Überlauf werden aus entsprechenden Messungen oder bereits aus anderen Steuerungsvorgängen die Werte der Koordinaten des Tiegels auf denen der Elektronenstrahl auf die Oberfläche des Verdampfungsgutes, d.h. die Tiegeloberfläche trifft, mit den Werten der gemessenen Schichtdicke und der Elektronenstrahlleistung verknüpft und gespeichert und als Abbildungsmodell in Form einer Tiegelkonturkorrektur in einem Vorfilter dem Regelkreis zugeführt. D.h. bei einem Überlauf wird eine Messreihe gespeichert und dient dem darauffolgenden Überlauf als Vorhersagewert. Das Abbildungsmodell in Form einer Tiegelkonturkorrektur bildet somit die Verdampfungsrate an den einzelnen lateralen Positionen der Tiegeloberfläche in Abhängigkeit von der Elektronenstrahlleistung und der gemessenen Schichtdicke auf dem Tiegel ab, wobei auf die Tiegelgeometrie Rücksicht genommen wird. Bei einem Dreh-Pendel-Tiegel werden bei Änderungen in der radialen Richtung die Daten im Abbildungsmodell interpoliert. Für den allerersten Überlauf sind die Vorhersagewerte (aus der Messreihe) Null. Der an der Messstelle erhobene Wert einer Schichtdicke auf dem Substrat gibt somit Aufschluss über die vormals am Verdampfungsort vorgelegenen Beschichtungsbedingungen, wozu die Elektronenstrahlleistung und der Zustand des Verdampfungsgutes relevant ist.
Zum Ausgleich zufälliger Fehler während des Beschichtungsprozesses wird die Tiegelkonturkorrektur dem Smith-Prädiktor als eine gemittelte Verdampfungsrate aus mehreren Umläufen zugeführt. Die gemittelte Verdampfungsrate ist dabei unabhängig von den aktuellen Koordinaten, jedoch abhängig von den Werten des vorherigen letzten Umlaufes.
Zum Ausgleich systematischer Fehler, insbesondere von Unregelmäßigkeiten im Oberflächenprofil des Tiegels, der Verdichtung, der Granularität des Verdampfungsgutes, der Temperatur und/oder der Stöchiometrie, wird die Elektronenstrahlleistung, die am Regler voreingestellt ist, über die Tiegelkonturkorrektur erhöht oder gesenkt. Dabei hängt die Elektronenstrahlleistung von den aktuellen Koordinaten der Tiegelkonturkorrektur ab.
Zur Vermeidung von Kontinuitätssprüngen beim Einstellen der Elektronenstrahlleistung wird ein IRR-Filter oder ein IIR0-Filter eingesetzt.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 Regelkreis nach dem Stand der Technik zum Ausregeln großer Totzeiten beim Transport eines Substrats zwischen Verdampfungsort und Messstelle.
2 Erweiterter Regelkreis mit einem in einem Vorfilter integrierten Abbildungsmodell zur Berücksichtigung systematischer Störfaktoren im Verdampfungsprozess.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Tiegel, in dem sich das Verdampfungsgut befindet, unter einem Elektronenstrahl hindurch bewegt und der Überlauf aufgezeichnet. Beim Überlauf wird dabei für jede Koordinate der Tiegeloberfläche, die dazugehörige Elektronenstrahlleistung und die gemessene Schichtdicke an der Messstelle eine Messreihe gespeichert. Dieser erste Überlauf dient dem nun folgenden Überlauf als Vorhersagewert und wird für den kommenden Überlauf ebenfalls aufgezeichnet. Jeder erneute Überlauf geht folglich von einem vorherigen Überlauf aus, der als Vorhersage dient. Zur Vorhersage sind um Null angelegte Plus-Minus-Werte vorgehalten; vorzugsweise in der Wertedimension der Verdampfungsrate, jedoch als relative, auf null bezogene Werte. Für den ersten Überlauf sind die Vorhersagewerte (aus der Messreihe) Null.
Die Messreihen für jede Koordinate des Tiegels bilden das Abbildungsmodell 5, welches in Form einer sogenannten Tiegelkonturkorrektur ausgebildet ist.
Die Tiegelkonturkorrektur wird in die nach dem Stand der Technik bekannten Smith-Prädiktor-Schaltung 2, 21, 22 einmal dort eingebunden, wo die Messwerte 3 (totzeitbehaftet) erhoben sind (Schichtdickenmessung), und ein zweites Mal dort, wo die Regelgröße für den Prozess gebildet wird (Leistungseinstellung).
Die Leistung, die am Regler 4 (2) voreingestellt ist, wird über ein Leistungsoffset 61, eine erste „geometrieabhängige“ Ausgangsgröße 51 der Tiegelkonturkorrektur, um einen Betrag erhöht oder gesenkt, den die Vorhersage-Messreihe entsprechend der Koordinate, die gerade erreicht ist ausgibt. Der Betrag kann über eine Skalierung 6 transformiert sein. Das Leistungsoffset 61 ist folglich abhängig von der aktuellen Koordinate.
Der Smith-Prädiktor 2 erhält lösungsgemäß als Eingangsgröße eine gemittelte Rate, eine zweite „geometrieunabhängige“ Ausgangsgröße 52 der Tiegelkonturkorrektur, um die vormals gemessene Rate, von zufälligen Fehlern zu befreien. Die gemittelte Rate ist folglich unabhängig von der aktuellen Koordinate jedoch abhängig von den Werten in der Vorrats-Messreihe.
Zur Vermeidung von Kontinuitätssprüngen beim Einstellen der Elektronenstrahlleistung wird ein IRR-Filter oder ein IIR0-Filter eingesetzt.
Bezugszeichenliste

1: Prozess, Verdampfungsprozess
2: Smith-Prädiktor
21: Vorhersagemodell im Smith-Prädiktor
22: Verzögerung im Smith-Prädiktor
3: totzeitbehaftete Messungen
4: Regler
5: Vorfilter mit Abbildungsmodell
51: geometrieabhängige Abweichung der Verdampfungsrate
52: mittlere Rate und geometrieunabhängige Abweichung der Verdampfungsrate
6: Skalierung
61: Leistungsoffset

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 000004116166 AA [0002]
DE 102011008047 A1 [0005, 0007]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Verdampfungsrate (1) in einer Vakuumbeschichtungsanlage, bei dem aus einer Beschichtungsquelle, an einem Verdampfungsort ein Verdampfungsgut verdampft wird, wobei eine Verdampfungsrate in einer Vakuumkammer bestimmt und durch einen Regelalgorithmus mit einem Smith-Prädiktor (2) und einer totzeitbehafteten gemessenen Schichteigenschaft (3) über einen Regler (4) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich lokal unterschiedlicher Eigenschaften des Verdampfungsgutes ein Abbildungsmodell (5) für eine lokale Verdampfungsrate und eine lokale Elektronenstrahlleistung über einer Beschichtungsquelle aufgenommen und in einem Vorfilter (5) in den Regelalgorithmus integriert und mit dem Smith-Prädiktor (2) rechnerisch kombiniert und dem Regler (4) übergeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum gleichmäßigen flächigen Verdampfen des Verdampfungsgutes einer Beschichtungsquelle, welche als Rechtecktiegel oder als Dreh-Pendel-Tiegel ausgebildet ist, der Tiegel in einem vordefinierten Muster unter dem Elektronenstrahl hindurch geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vordefinierte Muster in eine Primär- und eine Sekundärbewegung unterteilt wird, wobei je nach Ausbildung der Form des Tiegels als Rechtecktiegel oder als Dreh-Pendel-Tiegel die Primärbewegung in eine x- oder radiale-Richtung und die Sekundärbewegung in eine y-Richtung oder axiale Rotation unterteilt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Überlauf die Koordinaten des Tiegels auf denen ein Elektronenstrahl auf eine Oberfläche des Verdampfungsgutes trifft, mit Werten der gemessenen Schichtdicke und der Elektronenstrahlleistung verknüpft und gespeichert und als Abbildungsmodell (5) in Form einer Tiegelkonturkorrektur in einem Vorfilter (5) dem Regelkreis (4) zugeführt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich zufälliger Fehler während des Beschichtungsprozesses die Tiegelkonturkorrektur dem Smith-Prädiktor (2) eine gemittelte Verdampfungsrate (52) aus mehreren Umläufen zuführt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Verdampfungsrate (52) unabhängig von aktuellen Koordinaten ist, jedoch abhängig von den Werten des vorherigen letzten Umlaufes.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich systematische Fehler, insbesondere von Unregelmäßigkeiten im Oberflächenprofil des Tiegels, der Verdichtung, der Granularität des Verdampfungsgutes, der Temperatur und der Stöchiometrie, die Elektronenstrahlleistung, die am Regler (4) voreingestellt ist, über die Tiegelkonturkorrektur erhöht oder gesenkt wird (51).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahlleistung von den aktuellen Koordinaten der Tiegelkonturkorrektur abhängt.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Kontinuitätssprüngen beim Einstellen der Elektronenstrahlleistung ein IRR-Filter oder ein IIR0-Filter einsetzbar ist.