DE2824570C2

DE2824570C2 - Observation device for electron beam evaporators

Info

Publication number: DE2824570C2
Application number: DE19782824570
Authority: DE
Inventors: Walter Dr.-Phys. 6450 Hanau Dietrich; Otto-Horst Dr.-Ing. 6451 Rodenbach Hoffmann; Herbert Dr.-Phys. 6454 Bruchköbel Stephan
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1978-06-05
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE2824570A1

Description

1515th

2020th

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beobachtungseinrichtung zur Bestimmung von Größe, Form und Lage von Strahlauftreffflächen auf Badspiegeln von Elektronenstrahiverdampfern. The invention relates to an observation device for determining size, shape and position of beam impingement surfaces on bath mirrors of electron beam evaporators.

Durch die Patentanmeldung P 28 12 285.2 ist ein Vakuumaufdampfverfahren für Legierungen unter Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers bekannt, bei dem mindestens ein Elektronenstrahl periodisch springend auf mindestens zwei auf dem Badspiegel liegende Strahlfelder abgelenkt und in jedem dieser Felder über ein Zeilenraster geführt wird, wobei bestimmte Verhältnisse von Strahlfeldern, Verweilzeiten etc. einzuhalten sind. Sinn und Zweck dieser Maßnahme ist es, einer örtlichen Verschiebung der Legierungszusammensetzung und der Schichtdicke weitgehend entgegenzuwirken und homogene Schichten nicht nur auf einem und dem gleichen Substrat, sondern auf mehreren Substraten der gleichen Charge zu erzeugen, die in einem Feld oberhalb des Verdampfers angeordnet sind.The patent application P 28 12 285.2 describes a vacuum vapor deposition process known for alloys using an electron beam evaporator, in which at least one electron beam jumping periodically onto at least two lying on the bath mirror Beam fields deflected and guided in each of these fields over a line grid, with certain Relationships of beam fields, dwell times, etc. must be observed. The purpose of this measure is to to largely counteract a local shift in the alloy composition and the layer thickness and homogeneous layers not only on one and the same substrate, but on several To produce substrates of the same batch, which are arranged in a field above the evaporator.

Die Steuerung bzw. Regelung von Elektronenstrahlen, d. h. deren Fokussierungszustand, Leistung und Bewegung über eine bestimmte Fläche ist bei dem heutigen Entwicklungsstand der Strahlsteuerung kein besonderes Problem. Bstehen bleibt jedoch das Problem einer anfänglichen Einstellung bzw. Justierung der Strahlauftreffflächen bzw. des Ablenkmusters der Elektronenstrahlen und deren gezielte Veränderung beim Auftreten von ungenügenden Ergebnissen an den Substraten.The control or regulation of electron beams, d. H. their focus state, performance and movement With the current level of development of beam control, over a certain area is nothing special Problem. What remains, however, is the problem of an initial setting or adjustment of the jet impact surfaces or the deflection pattern of the electron beams and their targeted change when they occur of unsatisfactory results on the substrates.

Es ist bekannt, Aufdampfvorgänge durch eine optische Beobachtungseinrichtung visuell zu beobachten und die Strahlsteuerung entsprechend den Ergebnissen der Beobachtung gezielt zu verändern. Dies führt solange zu keinen Schwierigkeiten, wie es auf eine genaue Einstellung eines Ablenkmusters eines Elektronenstrahls nicht ankommt bzw. solange ein Abschätzen der relativen Lage des Auftreffmusters zum Verdampfertiegel mit ausreichender Genauigkeit möglich ist. Schwierig wird ein solches Abschätzen bei großflächigen Verdampfertiegeln, über denen eine Vielzahl von Substraten in einem Feld angeordnet ist, weil die Substrate eine Beobachtung des Badspiegels in der Draufsicht weitgehend verhindern. Es bleibt infolgedessen nur die Möglichkeit, von der Seite her in den flachen Raum zwischen den Substraten und dem Badspiegel Einblick zu nehmen. Erheblich störend ist hierbei die sich notwendigerweise ausbildende Perspektive, weil diese das Abschätzen exakter geometrischer Zuordnungen beträchtlich erschwert.It is known to visually observe vapor deposition processes through an optical observation device and to change the beam control according to the results of the observation. This lasts as long does not cause any trouble such as an accurate adjustment of a deflection pattern of an electron beam does not arrive or as long as an estimation of the relative position of the impact pattern to the evaporator crucible is possible with sufficient accuracy. Such an estimation becomes difficult with large-area evaporation crucibles, over which a plurality of substrates is arranged in a field, because the substrates a As far as possible, prevent observation of the bathroom level from the top. As a result, there is only the possibility of to see from the side into the flat space between the substrates and the bathroom mirror. The perspective that necessarily develops is considerably disruptive here, because it is the appraisal exact geometrical assignments made considerably more difficult.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beobachtungseinrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die es erlaubt, auch bei schrägen Einblickrichtungen die vorschriftsmäßige Lage des Auftreffmusters des Elektronenstrahls bzw. der Elektronenstrahlen auf dem Badspiegel festzustellen und/oder gezielte Abänderungen der Strahleinstellung vorzunehmen. The invention is therefore based on the object of providing an observation device of the type described at the outset Specify the type that allows it, even with oblique viewing directions the correct position of the impact pattern of the electron beam or electron beams determine on the bathroom mirror and / or make targeted changes to the jet setting.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs angegebenen Beobachtungseinrichtung erfindungsgemäß durch eine Einbiickoptik mit mindestens einer im Strahlengang angeordneten Markierung, die mit dem Badspiegel optisch zur Deckung bringbar ist.The object set is achieved according to the invention in the case of the observation device specified at the beginning by a look-in optics with at least one marking arranged in the beam path, which can be visually brought to coincide with the bathroom mirror.

Dabei kann die Markierung eine Rahmenmarkierung sein, die dem angestrebten Flächenmuster der Elektronenstrahlabtastung des Badspiegels entspricht, oder aber ein Linienraster mit entsprechender Bezifferung der Zeilen, wobei dem Linienraster zusätzlich ein Auswertebogen zugeordnet sein kann, der die Übertragung des Beobachtungsergebnisses in einen Plan ermöglicht, der der Draufsicht auf den Verdampfertiegel exakt entspricht. Die Beobachtung des Auftreffmusters eines Elektronenstrahls auf einem Badspiegel wird hierbei durch eine Lumineszenzerscheinung ermöglicht, aufgrund welcher die vom Strahl beaufschlagten bzw. abgetasteten Flächenelemente des Badspiegels in einem helleren Lichte erscheinen. Projiziert man visuell eine Rahmenmarkierung und/oder ein Linienraster auf den Badspiegel, so läßt sich leicht feststellen, an welcher Stelle Abweichungen im Flächenmuster auftreten. Eine gezielte Korrektur durch Beeinflussung der Ablenksteuerung des Elektronenstrahls ist dann auf einfache Weise möglich.The marking can be a frame marking that corresponds to the desired surface pattern of the electron beam scanning of the bathroom level, or a line grid with corresponding numbering of the lines, whereby the line grid can also be assigned an evaluation sheet to which the transmission is carried out of the observation result in a plan that corresponds exactly to the plan view of the evaporator crucible. The observation of the impact pattern of an electron beam on a bath mirror is here made possible by a luminescence phenomenon, on the basis of which the acted upon or scanned by the beam Surface elements of the bathroom mirror appear in a brighter light. If you visually project a Frame markings and / or a grid of lines on the bathroom mirror, so it is easy to determine which one Place deviations in the surface pattern occur. A targeted correction by influencing the deflection control of the electron beam is then possible in a simple manner.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigtAn exemplary embodiment of the subject matter of the invention and its mode of operation are given below with reference to FIG F i g. 1 to 4 explained in more detail. It shows

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vakuumaufdampfanlage für das diskontinuierliche Bedampfen einer Vielzahl von Substraten,F i g. 1 shows a vertical section through a vacuum vapor deposition system for the discontinuous vapor deposition of a Variety of substrates,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Verdampfertiegel und den Badapiegel mit den auf dem Badspiegel liegenden Feldern, die durch die Elektronenstrahl abgerastert werden,F i g. 2 shows a plan view of the evaporator crucible and the bath mirror with those lying on the bath mirror Fields that are scanned by the electron beam,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1 im rechten Winkel zu der dort gewählten Schnittebene undF i g. 3 shows a vertical section through the object according to FIG. 1 at a right angle to that chosen there Cutting plane and

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht des Gegenstandes nach F i g. 2 mittels der in F i g. 3 gezeigten Beobachtungseinrichtung. F i g. 4 is a perspective view of the object according to FIG. 2 by means of the in F i g. 3 observation device shown.

In Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt, die an der linken Seite einen Anschlußflansch 11 für die Verbindung mit einer nicht dargestellten Schleusenkammer und einer gleichfalls nicht dargestellten Vorheizkammer aufweist. Durch den Anschlußflansch 11 ragt ein Substrathalter 12, der an einer Transportstange 13 befestigt ist, horizontal in die Vakuumkammer 10. An dem Substrathalter 12 sind mehrere Substrate 14 in Form von Turbinenschaufeln befestigt, und zwar in der Weise, daß sie bis auf einen geringen Zwischenraum die ihnen zugedachte horizontale Fläche nahezu vollständig ausfüllen.In Fig. 1, a vacuum chamber 10 is shown, which has a connecting flange 11 on the left for the Connection with a lock chamber (not shown) and a preheating chamber (also not shown) having. A substrate holder 12, which is attached to a transport rod, protrudes through the connection flange 11 13 is fastened horizontally in the vacuum chamber 10. On the substrate holder 12 are several substrates 14 in Form of turbine blades attached, in such a way that they except for a small gap the almost completely fill the intended horizontal area.

Unterhalb des Substrathalters 12 ist ein Verdampfertiegel 15 angeordnet, der aus Metall besteht und Kühlkanäle 16 aufweist. In dem Verdampfertiegel befindet sich ein Bad 17 aus geschmolzenem Verdampfungsgut, das nach oben hin durch einen Badspiegel 18 begrenzt ist. Zwischen dem Badspiegel und den Substraten 14 wird ein etwa quaderförmiger Raum 19 gebildet, durchAn evaporator crucible 15, which consists of metal and cooling channels, is arranged below the substrate holder 12 16 has. In the evaporation crucible there is a bath 17 made of molten evaporation material, which is limited at the top by a bathroom mirror 18. Between the bath mirror and the substrates 14 an approximately cuboid space 19 is formed by

den der Dampfstrom vom Badspiegel 18 zu den Substraten 14 aufwärts wandert In einer oberen Kammerwand 20 der Vakuumkammer 10 sind zwei Elektronenstrahlkanonen 21 und 22 angeordnet, die über eine Steueranordnung 23 mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Steueranordnung versorgt die Kanonenthat the steam flow travels upwards from the bath level 18 to the substrates 14 in an upper chamber wall 20 of the vacuum chamber 10, two electron beam guns 21 and 22 are arranged, which have a Control arrangement 23 are supplied with electrical energy. This control arrangement supplies the cannons

21 und 22 nicht nur mit der erforderlichen Hochspannung, sondern auch mit dem Heizstrom für die Kathoden der Kanonen. Außerdem erzeugt die Steueranordnung 23 auch die erforderlichen Ablenksignale für den Elektronenstrahl. Zum Zwecke der Strahlablenkung sind die Kanonen 21 und 22 mit einem X-Ablenksystem 24 und einem K-Ablenksystem 25 versehen.21 and 22 not only with the required high voltage, but also with the heating current for the cathodes of the cannons. In addition, the control arrangement 23 also generates the necessary deflection signals for the Electron beam. For the purpose of beam deflection, the guns 21 and 22 are equipped with an X deflection system 24 and a K-deflection system 25 is provided.

Gemäß Fig.2 hat der Verdampfertiegel 15 einen rechteckigen Grundriß mit zwei Langseiten 27 und zwei Schmalseiten 28. Durch die kurze Symmetrieachse »S« wird das Bad 17 sinngemäß in zwei Badhälften 17a und 176 unterteilt. Oberhalb des Badspiegels 18 und seitlich außerhalb der Schmalseiten 28 sind die Elektronenstrahlkanonen 21 und 22 angeordnet, der^n Achsen in einer Symmetrieebene des Verdampfertiegels 15 liegen, die zu der Symmetrieachse »S« senkrecht steht (Schnittebene in Fig. 1). Die Elektronenstrahlkanonen 21 undAccording to FIG. 2, the evaporator crucible 15 has a rectangular plan with two long sides 27 and two narrow sides 28. The bath 17 is divided into two bath halves 17a and 176 by the short axis of symmetry "S". The electron beam cannons 21 and 22 are arranged above the bath level 18 and laterally outside the narrow sides 28, the axes of which lie in a plane of symmetry of the evaporator crucible 15 which is perpendicular to the axis of symmetry "S" (sectional plane in FIG. 1). The electron beam guns 21 and

22 erzeugen Elektronenstrahlbündel 35 und 36, die, von dem X-Ablenksystem 24 ausgehend, unter einem Winkel auf den Badspiegel 18 auftreffen und diesen nach dem in Fi g. 2 näher erläuterten Flächenmuster X- und K-Richtung abrastern. Der Elektronenstrahl 35 ist der linken Badhälfte 17a und der Elektronenstrahl 36 der rechten Badhälfte 176 zugeordnet.22 generate electron beams 35 and 36, which, starting from the X-deflection system 24, impinge on the bath mirror 18 at an angle and this after the in Fi g. Scanning surface patterns explained in more detail in X and K directions in 2. The electron beam 35 is assigned to the left bath half 17a and the electron beam 36 is assigned to the right bath half 176.

In F i g. 2 ist das X-V-Koordinatensystem angedeutet. Auf der linken Badhälfte 17a liegen zwei Strahlfelder F₁ und Fi, die schraffiert dargestellt sind und von dem Elektronenstrahl 15 mit einem Zeilenraster bestrichen werden, wie dies in dem linken Strahlfeld Fi andeutungsweise dargestellt ist. Die gleichen Verhältnisse liegen spiegelsymmetrisch auch in der rechten Badhälfte 17£> vor. Wesentlich ist hierbei, daß die einzelnen Strahlfelder F\ und Fi durch einen fokussierten Elektronenstrahl abgerastert werden, dessen Brennfleck notwendigerweise um ein Vielfaches kleiner ist als die Abmessungen der Strahlfelder. Durch genau festgelegte Amplituden der Ablenkspannungen läßt sich das Flächenmuster, nachdem die Abrasterung erfolgt, außerordentlich genau einhalten bzw. einstellen. Die Abmessungen der Strahlfelder können während eines Verdampfungszyklus auch gezielt geändert werden, um der aufgedampften Schicht z. B. ein Tiefenprofil zu geben.In Fig. 2 the XV coordinate system is indicated. On the left bath half 17a there are two beam fields F ₁ and Fi, which are shown hatched and are swept by the electron beam 15 with a line raster, as is indicated in the left beam field Fi. The same conditions are mirror-symmetrical in the right half of the bathroom. It is essential here that the individual beam fields F 1 and Fi are scanned by a focused electron beam whose focal point is necessarily many times smaller than the dimensions of the beam fields. By means of precisely defined amplitudes of the deflection voltages, the surface pattern can be adhered to or adjusted extremely precisely after the scanning has taken place. The dimensions of the beam fields can also be changed in a targeted manner during an evaporation cycle in order to give the evaporated layer e.g. B. to give a depth profile.

In Fig.3 ist dargestellt, wie die Vakuumkammer 10 auf der einen Seite mit einem Saugstutzen 29 und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Beobachtungseinrichtung 30 versehen ist, die am Ende eines kegelförmigen Stutzens 31 angebracht ist. Die Beobachtungseinrichtung 30 besitzt ein Okular 32, mit dessen Hilfe es möglich ist, den Badspiegel 18 im Bereich des optischen 5=· Strah'enganges 33 zu beobachten. Die Achse der Beobachtungseinrichtung 30 ist etwa unter einem Winkel von 35 bis 40 Grad zur Waagrechten ausgerichtet.In Figure 3 it is shown how the vacuum chamber 10 on one side with a suction nozzle 29 and on the opposite side with an observation device 30 is provided, which is attached to the end of a conical connector 31. The observation device 30 has an eyepiece 32, with the help of which it is possible to position the bathroom mirror 18 in the area of the optical 5 = · Observe Strah'enganges 33. The axis of the observation device 30 is aligned approximately at an angle of 35 to 40 degrees to the horizontal.

Das sich dem Betrachter mittels der Beobachtungseinrichtung 30 bietende Bild ist in F i g. 4 dargestellt. Die to in Fig.2 rechteckigen Felder Fi und Fi sind verzerrt dargestellt, so daß eine exakte räumliche Zuordnung zu den Langseiten 27 und Schmalseiten 28 des Verdampfertiegels 15 nicht bzw. nur schwer möglich ist. Innerhalb der Beobachtungseinrichtung 30 befindet sich nun b5 in herkömmlicher Weise eine durchsichtige Platte mil einer Rahmenmarkierung, die dem beobachteten Bild optisch überlagert wird. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Markierungen in Beobachtungseinrichtungen sind die Rahmenmarkierungen im vorliegenden Fall jedoch in Übereinstimmung mit der Darstellung in Fig.4 geometrisch ähnlich verzerrt. Die Rahmenmarkierung kommt in Fig.4 mit den Umrißlinien der einzelnen Felder Fi und Fi im Idealfall zur Deckung. In F i g. 4 sind die Rahmenmarkierungen mit R\ und R₂ bezeichnet. Sobald nun die Bedienungsperson eine Abweichung der Felder Fvon den betreffenden Rahmenmarkierungen R feststellt, kann sie durch Nachjustieren der Ablenkspannungen die Übereinstimmung wieder herstellen. Soll die Größe der Felder F gezielt verändert werden, so genügt es, eine durchsichtige Platte mit einer anderen Rahmenmarkierung in die Beobachtungseinrichtung 30 einzusetzen und die Größe der Felder F, und Fj in Übereinstimmung mit dieser neuen Rahmenmarkierung zu bringen. Eine analoge Justierung ist natürlich auch mit einem entsprechenden Linienraster möglich.The image presented to the viewer by means of the observation device 30 is shown in FIG. 4 shown. The rectangular fields Fi and Fi in FIG. 2 are shown distorted, so that an exact spatial assignment to the long sides 27 and narrow sides 28 of the evaporator crucible 15 is not possible or only with difficulty. Within the observation device 30 there is now b5 in a conventional manner a transparent plate with a frame marking which is optically superimposed on the observed image. In contrast to the conventional markings in observation devices, however, the frame markings in the present case are geometrically similarly distorted in accordance with the illustration in FIG. The frame marking in FIG. 4 ideally coincides with the outlines of the individual fields Fi and Fi. In Fig. 4, the frame markings are labeled R \ and R _2. As soon as the operator now notices a discrepancy between the fields F and the relevant frame markings R , he can restore the correspondence by readjusting the deflection voltages. If the size of the fields F is to be changed in a targeted manner, it is sufficient to insert a transparent plate with a different frame marking in the observation device 30 and to bring the size of the fields F 1 and F j in accordance with this new frame marking. An analog adjustment is of course also possible with a corresponding line grid.

Hierzu 2 Biati ZeichnungenFor this purpose 2 Biati drawings

Claims

Patent claims:

1. Observation device to determine the size, shape and position of jet impact surfaces Bath mirrors from electron beam evaporators. g e identifies by means of viewing optics with at least one marking arranged in the beam path, which is optically connected to the bathroom mirror Coverage can be brought.

2. Observation device according to claim 1, characterized in that the marking is a Frame mark is.

3. Observation device according to claim 1, characterized in that the marking is a line grid is.

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