DE1621263C - Verfahren zur Herstellung cyclisch verlaufender Schichten durch Aufdampfen, Aufsprühen, Bestrahlen usw - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung cyclisch verlaufender Schichten durch Aufdampfen, Aufsprühen, Bestrahlen usw. auf ein Substrat.

Zur Herstellung cyclischer Verlaufsinterferenzfilter ist es bekannt, vor dem Substrat zwei sektorenförmige Blenden mit verschiedenen, jedoch in rationalem Verhältnis stehenden Geschwindigkeiten zu bewegen. Dadurch entstehen periodisch sich öffnende und schließende Spalte, und die durch diese Spalte aufgedampften Schichten zeigen eine lineare Abhängigkeit der Schichtdicke von der Winkelkoordinate ψ auf dem Substrat.

An Hand der Zeichnung werden das bekannte Verfahren und das Verfahren gemäß der Erfindung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 a den Verlauf der Schichtdicke h in Abhängigkeit von der Winkelkoordinate φ des Substrats, wie er nach Literaturangaben mit einfachen kontinuierlich gegeneinander bewegten Blenden erhalten wird,

F i g. 1 b den Schichtdickenverlauf gemäß Literatur mit komplizierter geformten Blenden;

F i g. 1 c stellt den Idealfall des Schichtdickenverlaufes dar;

F i g. 3 erläutert die Blendwirkung eines Systems, das der Addition der Wirkungen von zwei Blendensystemen 1 und 2 entspricht, welche einzeln in F i g. 2 a und 2 b dargestellt sind, φ ist wieder die Winkelkoordinate des Substrats;

F i g. 4 a und F i g. 4 b erläutern die beiden Grenzstellungen eines Systems aus zwei Blenden von je 120° Ausdehnung. Die freie öffnung erreicht hier den Maximalwert, der mit zwei Einzelblenden erzielbar ist. Die einzelnen Buchstaben besitzen die gleiche Bedeutung wie¹ in Fig. 3;

F i g. 2 a zeigt, wie sich die Blende Bl_x bewegt und damit auch die Kante K₁ mit der Geschwindigkeit U₁, die Blende BZ₁₁ und damit die Kante K₁₁ mit der (kleineren) Geschwindigkeit ^₁₁. Bl_x bleibt nach genau einer Umdrehung so lange stehen, bis auch BZ_n gerade eine Umdrehung vollendet hat;

F i g. 2 b zeigt, wie sich eine Blende Bl_n mit sektorförmigem Spalt der Breite A φ mit der konstanten Geschwindigkeit &_n bewegt;

F i g. 3 entspricht bezüglich der Blendengeschwindigkeit Fig. 2a, jedoch ist die Kante K_n von Blende Bl_n um Αφ verschoben;

F i g. 5 ist eine schematische Darstellung einer praktischen Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Ein bedeutender Nachteil dieser Anordnung ist, daß gebietsweise ein Steigen und anschließend ein Abfallen der Schichtdicke h auf dem Substrat auftritt. Im Normalfall ist die Neigung für beide Gebiete gleich (vgl. Fig. 1, Kurve α). Durch komplizierte Mehrfachschlitzung der Blenden ist noch eine Asymmetrie gemäß Kurve b erreichbar, aber der Idealfall, daß der Anstieg sich praktisch gleichmäßig auf den gesamten Drehwinkel φ von 360° verteilt und dann praktisch momentan der Abfall vom Maximalwert auf den Minimalwert erfolgt, ist mit den bekannten Anordnungen nicht erreichbar. Doch ist gerade dies von besonderer praktischer Bedeutung, da ein Filter von gegebener Dispersion, also Wellenlängenänderung je Winkeleinheit um so geringeren Durchmesser besitzt, also um so weniger Platz benötigt, auf je größerem Winkelbereich die Wellenlängenänderung sich verteilt.

Es wurde nun gefunden, daß sich diese ideale Form der Filterkurve (s. F i g. 1, Kurve 3) mit überraschend einfachen Mitteln erreichen läßt dadurch, daß man, ähnlich wie bei der bekannten Lösung, zwei ausreichend breite Teilblenden relativ zu dem Substrat um eine gemeinsame Achse mit verschiedenen Geschwindigkeiten rotieren läßt, wobei jedoch nur die Blende II mit der geringeren Relativgeschwindigkeit sich fortlaufend dreht, während die Blende I mit der höheren . Relativgeschwindigkeit nach Durchlaufen eines Relativwinkels von 2 π gegen das Substrat so lange relativ zum Substrat stehenbleibt, bis auch die Blende II nachgekommen ist, also ebenfalls den vollen Winkel von 360° durchlaufen hat. Sowie dies geschehen ist, beginnt nun die Blende I sich wieder zu bewegen. Die mathematischen Folgerungen dieser Kinematik werden im folgenden näher erläutert. Da die Gesamtbewegung beider Blenden die gleiche strenge Periode besitzt, kann das Geschwindigkeitsverhältnis der beiden Blenden in weiten Grenzen variiert werden. Grundsätzlich wird dabei noch keine engere Vorschrift über die Geschwindigkeit von II gemacht. Doch erhält man die mechanisch einfachsten Verhältnisse, wenn man die Geschwindigkeit der Blende II konstant hält. Da die erfindungsgemäße Bewegungsvorschrift sich nur auf die Relativ-Winkelbewegung der Blenden zum Substrat bezieht, kann sie natürlich auch erreicht werden, wenn die Blendell stillsteht und Substrat und Blende I sich bewegen. Es sind aber auch sämtliche Zwischenstufen zwischen den erwähnten kinematischen Extremen möglich. Dies ist deswegen wichtig, weil man bei Vakuumbedampfungen im Interesse der Gleichmäßigkeit der Schichten im allgemeinen anstrebt, die einzelnen Stellen des Substrats in verschiedener Stellung zu den Verdampferquellen beschichten zu lassen. Diese Stellungsänderung kann jedoch verhältnismäßig langsam erfolgen, während es wegen der besseren Gleichmäßigkeit des Laufes günstiger ist, die Blenden verhältnismäßig rasch rotieren zu lassen. Das genannte Verfahren kann selbstverständlich nicht nur bei Interferenzfiltern angewendet werden, sondern auch für beliebige keilförmige Schichten, etwa Metallschichten für Graufilter oder Filter aus aufgedampften Farbstoffen, für elektrisch leitende Schichten usw. Technisch ist die erfindungsgemäße Kinematik auf verschiedenste bekannte Weise lösbar. Besonders einfach erscheint es, die beiden Teilblenden durch getrennte Synchronmotoren antreiben zu lassen und den Motor für Blende I fotoelektrisch von der Bewegung der Blende II einschalten und von dem Stand seiner eigenen Bewegung ausschalten zu lassen. Dieses Verfahren ist deshalb besonders vorteilhaft, weil man dann mit recht einfachen Mitteln das gegenseitige Geschwindigkeitsverhältnis während des Laufes nach einem periodischen Programm steuern kann. Dies ist deshalb von Interesse, weil bei Interferenzfiltern infolge der beträchtlichen Dispersion der angewendeten hochbrechenden Stoffe eine lineare Änderung der Schichtdicke, wie sie bei völlig konstanten Geschwindigkeiten erzielt würde, nicht zu einer konstanten Dispersion führt, wie sie aus Gründen der einfachen Auswertung von Messungen, die mittels des fertigen Filters ausgeführt werden sollen, besonders erstrebenswert ist.

Man kann z. B. rein mechanisch über ein Differentialgetriebe, dessen eine Welle über eine Kurvenscheibe gesteuert wird, eine Drehbewegung periodisch

modifizieren oder aber rein elektrisch durch einen Phasenschieber, der den Lauf der Motoren gegeneinander abstimmt. Wichtig ist nur, daß dabei die gegenseitige Winkelstellung der Blendenkanten periodisch mit der relativen Verdrehung der Blende II 5 verläuft, daß also auch die Phasenverschiebungen streng periodisch ablaufen.

Die Theorie der erfindungsgemäßen Kinematik Hißt sich am leichtesten verständlich machen, wenn man die benutzten beiden Blenden gedanklich in zwei Teilsysteme aufteilt, und zwar

1. ein System 1 mit zwei Blenden, deren Kanten bei Beginn der Bewegung genau aneinanderstoßen (vgl. Fig. 2 a) und

2. ein System 2 mit konstanter Blendenöffnung (vgl. Fig. 2b).

Im System 1 möge sich Blende I mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit O₁ so lange drehen, bis die Kante /C₁ genau 2.τ durchlaufen hat und dann stehenbleibt; Blende II laufe fortgesetzt mit der konstanten Geschwindigkeit O_n.

Mm System 2 laufe die Blende II ebenfalls mit der Geschwindigkeit O_n, und zwar befinde sich die Kante K₁ im Ausgangspunkt der Bewegung an der Stelle 7 = 0, während K_n im gleichen Augenblick bei η = — . I 7 liege.

Die Winkelgröße 7 diene hierbei zur Kennzeichnung der Lage.

Bei konstanter Verdampfungsgeschwindigkeit des aufzudampfenden Stoffes während einer Periode ist offenbar die Schichtdicke /?, (7), die sich mit dem ersten System nach Ablauf der Zeitperiode t_p auf dem Substrat an der Stelle 7 gebildet hat, proportional der Zeit, die zwischen dem Zeitpunkt i| (7) der'vöffnung«, d. h. Durchgang der Kante K₁ durch den Punkt und dem Zeitpunkt f„ (7) der »Schließung« durch Durchgang der Kante K₂ durch den Punkt 7 verstrichen ist. Es gilt also

My) = ¹K [in (f) -f. (</)]

(1)

K = Proportionalitätsfaktor.
Für konstante Geschwindigkeit H_n und H₁ gilt
f. (7)

H»

ferner

(2)

(3)

tung gemäß Fig. 2 b folgen läßt, bei der offenbar wegen der zeitlichen Konstanz von I 7 eine konstante Schichtdicke entsteht.

In praxi kann man nun diese beiden Beschichtungen nebeneinander herlaufen lassen, wenn man Blende II und Blende III, die ja mit gleicher Geschwindigkeit laufen, zu einer einzigen modifizierten Blende zusammenfaßt, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist. Dies ist, wie man sich leicht klarmachen kann, immer möglich, wenn Blende I ausreichend schmal gemacht wird, so daß sie nicht mit der öffnung von Blende III zum überlappen kommen kann. Die modifizierte Blendeil entsteht aus der normalen Blende, wenn man die Kante K_n um den Winkel I 7 gegen die +7-Richtung verschiebt. Sie ist äquivalent mit der Wirkung der Summe der Systeme 1 und 2.

Für die durch System 2 erzeugte Schichtdicke h₂ gilt offenbar

K = p-K-tp '

nach einer Periodendauer tp.

Für die Gesamtschichtdicke/1(7) gilt also

Λ to) =

h (7) wird eine lineare Funktion von 7, tp = Umlaufzeit für Blendell.

Die Extremwerte /ΐ,,,,_ΙΛ und /i,„_f„ betragen

40

45 h_m{„ = K ■ tp ■

Also das Verhältnis

''max

Kin I '/

Meist wird verlangt, daß

Kax _% -,
min

Dies bedeutet, daß

Damit wird (1) zu.

(4)

55

60

Die Schichtdicke /1, wird also proportional 7, d. h., sie beginnt mit Null bei 7 =0 und läuft linear bis zum großen Wert bei 7 = 2.7.

Da jedoch bei einem Verlauffiller die Schichtdicke nicht mit Null, sondern mit einem endlichen Minimalwert /ίο beginnen soll, so kann man einen solchen Verlauf erhalten, wenn man nach der Beschichtung mit System 1 gemäß Fig. 2a eine zweite Beschich-Wählt man beispielsweise

so wird

I7 = 120

Dies bedeutet, wenn die Kante K₁ gerade um 360 gelaufen ist, ist K_n um 240 gelaufen. Somit befindet sich Kanteil zu dem Zeitpunkt, wo Kante 1 gerade die Endstellung erreicht hat, bei

η =240' - 120' = 120°.

Die diesen beiden Augenblicken entsprechenden Blendenstellungen zeigt F i g. 4.

Man erkennt, daß in der zweiten Stellung die beiden Blenden genau übereinanderliegen. Die Einzel- ι ο blende darf also nicht breiter als 120°, sie darf aber auch nicht schmaler sein, da sonst in der Anfangsstellung ein zweiter Blendenschlitz zwischen den Blenden I und II sich öffnen würde, da diese bei 120° gerade genau aneinanderstoßen. . τ

Bei '""" = 2 ist also \q = 120^rj der maximal

mögliche Wert, wenn nur zwei bewegliche. Blenden verwendet werden. Er ist materialmäßig besonders wirtschaftlich, weil die auf die Blenden aufgedampfte Materialmenge am kleinsten wird.

Während in den bisher behandelten Fällen die »Öffnungsblende« rascher lief als die »Schließblende« ist natürlich auch der umgekehrte Fall möglich. Man braucht sich dazu nur vorzustellen, daß sich die Bewegungsrichtung umkehrt und daß die Stellung F i g. 4b Ausgangs-, die Stellung F i g. 4a Endstellung ist. Die beiden Möglichkeiten sind also völlig gleichwertig. Im einen Fall nimmt h mit wachsendem 7 zu. im anderen ab. Das hat besonderen praktischen Wert' bei den sogenannten Metallinterferenzfiltern. Dort müssen nämlich die beiden Metallschichten, zwischen denen das Dielektrikum liegt, mit wachsender Wellenlänge dünner werden, während die Diclektrikumsschicht zunimmt. Auf demselben Substrat kann also lediglich durch Änderung der Blendenstellung und der Stoppzeiten der gewünschte Schichtdickenzuwachs oder Abfall hergestellt werden.

Es ist einleuchtend, daß zur Durchführung der erfindungsgemUßen kinematischen Vorschrift die verschiedenartigsten Mittel geeignet sind, so daß durch Beschreibung eines Durchführungsbeispiels die übrigen Möglichkeiten im Erfindungsgedanken gleichwertig erhalten bleiben.

Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ist A eine Welle, durch die das Substrat S gedreht wird. Die Befestigung des letzteren erfolgt durch Auflegen des Substrats mit seiner konischen Innenbohrung auf die konische Trägerscheibe P, deren Achse Si durch die Mittelbohrungen der Blenden B₁ und B_n läuft und Aufschrauben der am unteren Ende von A vorhandenen Innenmutter H auf den oberen Gewindezapfen von P.

Wn und W₁ sind Wellen, auf denen die Zahnräder Z₁ und Z₁₁ sitzen, die die Blenden B, und B₁₁ drehen.

Die gesamte Einrichtung befindet sich in einem evakuierten Gefäß, durch welches die Achsen W₁, W_n und A vakuumdicht hindurchgeführt sind.

D₁, D₂, D₃ und D₄ symbolisieren die Richtung der Verdampfungsströmüng, die etwa von einer Zerstäubungskathode ausgeht.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung cyclisch verlaufender Schichten durch Aufdampfen, Aufsprühen, Bestrahlen usw. auf ein. Substrat, vor dem sich zwei Blenden mit verschiedener Relativdrehgeschwindigkeit gegen das Substrat um einen gemeinsamen Drehpunkt bewegen, dadurchgekennzeichnet, daß einer Blende (B₁) mit größerer Relativgeschwindigkeit eine relative Drehbewegung von 2.-T gegen das Substrat erteilt und anschließend so lange diese Relativbewegung gestoppt wird, bis eine andere Blende (B_n) mit geringerer Relativgeschwindigkeit ebenfalls eine relative Drehbewegung 2 π gegen das Substrat beendet hat und daß dieser Vorgang periodisch so oft wiederholt wird, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit O_1x der Blende (B₁₁) gegen das Substrat zeitlich konstant gehalten wird.

. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat festgehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (B_n) festgehalten. wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1„ dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit der Blende (B₁₁) so eingestellt wird, daß sie größer als die des Substrats ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Blenden durch getrennte Synchronmotoren vorgenommen und daß der die Blende (B,) bewegende Motor durch lichtelektrische Steuerung im gewünschten Zeitpunkt ab- bzw. angestellt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch bekannte Mittel, wie Differentialgetriebe oder Phasenschieber, eine geringfügige, streng periodische Änderung des Verhältnisses der Relativgeschwindigkeiten bewirkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeiten/>ii und O_x so eingestellt werden, daß sie sich wie 2: 3 verhalten und eine Anfangsöffnung der Blende von rund 120^: gewählt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen