DE2834813A1

DE2834813A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der verdampfungsrate oxidierbarer stoffe beim reaktiven vakuumaufdampfen

Info

Publication number: DE2834813A1
Application number: DE19782834813
Authority: DE
Inventors: Klaus-Juergen Heimbach; Walter Zueltzke
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1978-08-09
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1980-03-13
Also published as: BE878143A; FR2433055A1; FR2433055B1; DE2834813C2; CH641498A5; GB2028380A; US4287224A; NL7906040A; GB2028380B; US4408563A

Description

28, Juli 1978 78525

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LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Verdampfungsrate oxidierbarer Stoffe beim reaktiven Vakuumaufdampfen "

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.

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Die Qualität, insbesondere die optischen Eigenschaften, aufgedampfter Oxidschichten hängt bei der reaktiven Verdampfung sehr stark von der Homogenität des Schichtmaterials innerhalb der aufgedampften Schicht ab. Dies gilt in besonderem Maße für aufgedampfte Mehrfachschichtsysteme, zu denen die sogenannten Interferenzschfchtsysteme gehören. Gelingt es nicht, Schicht für Schicht unter gleichen Bedingungen aufzudampfen, d.h. jede Schicht mit gleicher und gleichbleibender Stoffzusammensetzung und annähernd gleicher Aufdampfrate aufzubringen, so ergeben sich Inhomogenitäten;, welche die Abhängigkeit des Absorptions- bzw. Transmissions-Verhaltens von der Lichtwellenlänge negativ beeinflussen und insbesondere eine Reproduzierbarkeit des Verfahrens weitgehend ausschliessen. Das Absorptions- bzw. Transmissions-Verhalten über bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts läßt sich in Diagrammform darstellen; man spricht von Absorptions- und Transmissionskurven.

Grundvoraussetzung für die Gleichmäßigkeit innerhalb der einzelnen Schichten ist die gleichmäßige Oxidation des Schichtmaterials durch den in die Vakuumkammer zugeführten Sauerstoff. Störgrößen für die Dichte bzw. den Druck des Sauerstoffs in der Vakuumaufdampfkammer sind die Saugleistungen der an die Vakuumkammer angeschlossenen Vakuumpumpen, die Desorption von Gasen, die Veränderung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Sauerstoff sowie der ständige Verbrauch an Sauerstoff durch die Oxidation des

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Verdampfungsgutes. Aufgrund der laufenden Zufuhr von Sauerstoff und des laufenden Abpumpens durch die Vakuumpumpen stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, der natürlich zeitlichen Veränderungen unterliegen kann. Ein schwankender Sauerstoffpartialdruck führt bei konstanter Verdampfungsrate, d.h. bei der Freisetzung gleichbleibender Mengen von Verdampfungsgut pro Zeiteinheit zu einem unterschiedlichen Oxidationsverhalten des Verdampfungsgutes, so daß die oben beschriebenen Abweichungen in der Zusammensetzung des Schicht-. materials auftreten.

Der Fachmann hat daher bisher stets versucht, die Einspeiserate an Sauerstoff in die Vakuumaufdampfkammer so konstant wie möglich zu halten. Dieses Ziel kann jedoch mit erträglichem Aufwand wegen des Regelverhältens der hierfür be- nötigten Dosierventile nur sehr ungenügend erreicht werden. Andererseits war der Fachmann aber auch bestrebt, die Verdampfungsrate der Verdampferquellen durch eine Regelung der elektrischen Leistung möglichst konstant zu halten. Zu diesem Zweck wurde eine Vielzahl von sogenannten Ratenmeßgeräten entwickelt. Notwendigerweise aber schwankte das Oxidationsverhalten in Abhängigkeit von der Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regel verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mittels welchem Einfach- und Mehrfachschichten möglichst'homogenen Oxidationsgrades erhalten werden.

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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Verfahrens durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 6 angegebenen Merkmale.

Durch die angegebene Maßnahme wird erreicht, daß das Verhältnis von pro Volumenelement in der Vakuumkammer vorhandenem Sauerstoff zur Verdampfungsrate konstant gehalten wird, d.h. die pro Zeiteinheit für den Oxidationsvorgang freigesetzte Menge des Verdampfungsgutes wird der vorhandenen Sauerstoffmenge angepaßt. Aufgrund des weiter oben beschriebenen Gleichgewichtszustandes läuft dies darauf hinaus, daß das Verhältnis der pro Zeiteinheit zugeflihrten Sauerstoffmenge zur Verdampfungsrate gleichfalls konstant gehalten wird,. Dieses Konstanthalten der Oxidationsreaktion führt zu den angestrebten homogenen Schichten. Sobald die vorhandene Druckmeßeinrichtung feststellt, daß der Druck in der Vakuumkammer, vorzugsweise der Sauerstoffpartialdruck, absinkt, wird die Verdampfungsrate durch Verringerung der zugeflihrten elektrischen Leistung reduziert, so daß - mit Ausnahme der geringen Regelabweichung - das oben angegebene Verhältnis konstant gehalten wird. Stellt umgekehrt die Druckmeßeinrichtung einen Anstieg des Drucks in der Vakuumkammer, insbesondere des Sauerstoffpartialdrucks, fest, so wird die Verdampfungsrate entsprechend heraufgeregelt, wodurch gleichfalls die gewünschte Konstanz des genannten Verhältnisses erreicht wird. Als Verdampfungsmaterial kommen nicht nur Metalle*

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sondern auch vollständige oder teilweise Oxide von Metallen in Frage, die sich in neutraler Atmosphäre im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung verändern würden. Der Erfindungsgegenstand kommt vornehmlich für die Erzeugung von dielektrischen Schichten aus TiO₂, SiO₂ in Frage.

Die Desorptionsrate des Rezipienten sollte möglichst gering sein. Dies ist dadurch zu erreichen, daß vor dem Sauerstoffeinlaß ein Endvakuum eingestellt wird, das kleiner als 5 χ 10 mbar ist.

Der Erfindungsgegenstand kann noch dadurch weiter ausgestaltet werden, daß Vorkehrungen dafür getroffen werden, daß die Sauerstoffmenge auf einen konstanten Wert pro Zeiteinheit geregelt wird. FUr diesen Zweck gibt es bereits Dosierventile, die sich automatisch auf eine konstante Durchsatzmenge (Gewichtsmenge) pro^Zeiteinheit einregeln. Bei konstanter Saugleistung der Vakuumpumpen hat der Einsatz einer solchen Maßnahme zur Folge, daß der Druck in der Vakuumaufdampfkammer nur noch von einer veränderlichen Aufdampfrate beeinflußt wird, so daß die druckabhängige Regelung nur die Ratenschwankungen ausgleichen muß. Auf diese Weise wird zuverlässig erreicht, daß auch die Verdampfungsrate, weitgehend konstant gehalten wird, obwohl das Regelsystem im Gegensatz zu bekannten Ratenregelungen sofort auf eine Veränderung des Vakuums bzw. des Sauerstoffpartialdrucks ansprechen würde.

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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird auch der sogenannte Gettereffekt weitgehend ausgeglichen, der dadurch entsteht, daß dem Vakuumaufdampfprozeß durch das Niederschlagen der Oxide ein Teil der Sauerstoffmoleküle durch einen reinen Gettervorgang entzogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei solchen Stoffen anwendbar, die in reaktiver Atmosphäre zusätzlich Sauerstoff freisetzen, wie z.B. Quarz. In diesem Falle wird einfach das Vorzeichen des Regelsignals umgekehrt, d.h. eine Erhöhung des Drucks bzw. Partial drucks führt in diesem Falle zu einer Verminderung der Verdampfungsrate.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert.

Eine Vakuumaufdampfkammer 1 ist an ihrer Vorderseite mit einem Dichtungsflansch 2 und Dichtleisten 3 versehen, auf denen beim Betrieb ein entsprechender Gegenflansch einer nicht dargestellten Tür aufliegt. Durch eine zylindrische Kammerwand 4 ist mittels einer Durchführung 5 eine Rohrleitung 6 hindurchgeführt, die über einen Gasmengenmesser mit einer Sauerstoffquelle 8 in Verbindung steht. In der Rohrleitung 6 befindet sich ein selbsttätig geregeltes Dosierventil 9, dessen Durchsatz mittels eines Einstellknopfes 10 veränderbar ist.

Durch eine Bodenplatte 11 ist ein Saugstutzen 12 eines Vakuum-

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pumpsatzes 13 hindurchgefUhrt, An einer oberen Deckplatte ist ein kalottenförmiger Substrathalter 15 drehbar befestigt, dessen Drehachse an einer Flanschplatte 16 befestigt ist. Die Rotation des Substrathalters 15 wird über einen Getriebemotor 17 bewirkt.

Unterhalt des Substrathalters 15 ist auf der Bodenplatte 11 ein widerstandsbeheizter Verdampfer 18 mit einem Verdampferschiffchen 19 angeordnet, dessen Widerstand den sogenannten Verdampferwiderstand bildet. Der Verdampfer 18 steht über Ansehlußleitungen 20 mit einer regelbaren Stromversorgungseinrichtung 21 in Verbindung. Durch deren Regelung kann der Stromfluß im Verdampferschiffchen 19 und damit die Verdampfungsrate beeinflußt werden. Auf der Bodenplatte 11 ist unterhalb des Substrathalters 15 außerdem ein Elektronen-Strahlverdampfer 22 mit einem Verdampfertiegel 23 und einer ElektronenstrahlquelIe 24 angeordnet, die über Anschlußleitungen 25 mit einer-gleichfalls regelbaren Stromversorgungseinrichtung 26 in Verbindung steht. Ober die Ansehlußleitungen 25 wird sowohl die erforderliche Hoch- spannung als auch die Heizspannung für die nicht näher bezeichnete Katode der ElektronenstrahlquelIe 24 zugeführt. Durch Veränderung der Hochspannung (Beschleunigungsspannung) und/oder der Heizspannung ist es möglich, die Leistung der Elektronenstrahlquelle und damit die Verdampfungsrate des im Verdatnpfertieqel 23 befindlichen Verdampfungsgutes zu beeinflussen.

In der Bodenplatte 11 befindet sich außerdem ein Druckmeßfühler 27,

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der dem Druckbereich und der Anzeigegenauigkeit entspricht und ein dem Sauerstoffparttaldruck entsprechendes elektrisches Meßsignal Über eine elektrische Leitung 28 einer Druckmeßeinrichtung 29 zuführt, die mit einer Druckanzeige 30 ausgestattet ist. Die Druckmeßeinrichtung 29 besitzt einen Ausgang 31, der Über eine elektrische Leitung 32 einem Regler 33 aufgeschaltet ist. Der Regler 33 besitzt einen Ausgang 34, der - vorzugsweise umschaltbar - einem Stellglied 35 für die Stromversorgungseinrichtung 21 und einem Stellglied 36 für die Stromversorgungseinrichtung 26 aufgeschaltet ist. Das Stellglied 36 beeinflußt vorzugsweise den Emissionsstrom der Katode der ElektronenstrahlquelIe

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise: Mittels des Vakuumpumpsatzes 13 wird zunächst in der Vakuum-Aufdampfkammer 1 ein Druck kleiner als 5 χ 10" mbar erzeugt. Danach wird mittels des Dosierventils 9 pro Zeiteinheit eine solche Sauerstoffmenge in den Rezipienten ein-

-4 geleitetj daß sich dort ein Druck von 7 χ 10 mbar als Gleichgewichtszustand einstellt. Sofern nun in dem widerstandsbeheizten Verdampfer 18 oder in dem Elektronen- ■ strah1 verdampfer 22 die Verdampfung von oxidierbaren Stoffen beginnt, wird der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumaufdampfkammer 1 abgesenkt, und zwar auf einen Druck, der den gewünschten Aufdampfbedingungen entspricht. Steigt nun dieser Druck durch irgendeinen Vorgang an, beispielsweise weil durch das Dosierventil 9 zuviel Sauerstoff nachströmt, oder ' weil die Verdampfungsrate nachläßt, so. registriert der Druck-

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meßfühler 27 in Verbindung mit der Druckmeßeinrichtung diesen Druckanstieg und erzeugt Über den Regler 33 und das. Stellglied 35 oder 36 eine .Stellgröße, die Über die elektrischen Leitungen 37 bzw. 38 der Stromversorgungseinrichtung 21 bzw, 26 aufgeschaltet wird. Dies regelt den jeweiligen Verdampfungsvorgang nunmehr in einem Sinne nach, daß die Verdampfungsrate erhöht wird, wodurch ein vergrößerter Sauerstoffbedarf eintritt, der der.zugeführten Sauerstoffmenge pro Zeiteinheit entspricht. Um-ICL gekehrt fUhrt eine Druckabsenkung in der Vakuumaufdampfkammer 1 zu einer Verringerung der Aufdampfrate, so daß diese wiederum dem verringerten Sauerstoffangebot entspricht. ·

Bei spiel:

In einer Vorrichtung gemäß der Figur wurden auf Glassubstraten Interferenzschichtsysteme durch abwechselndes Aufdampfen von SiO₂ und TiO₂ in reaktiver Atmosphäre hergestellt. In diesem Fall befand sich im Elektronenstrahl verdampfer '22 ein 2-Napf-Tiegel , in dem die beiden Aufdampfmaterialien getrennt untergebracht waren. Durch Drehen d?s Verdampfertiegels 23 ließ sich jeweils eine der Verdampfungssubstanzen in den Weg des von der Elektronenstrahlquelle 24 ausgehenden Elektronenstrahls bringen. Mittels

-4 des Dosierventils 9 wurde ein Sauerstoffdruck von 7 χ 10 robar eingestellt, nachdem die Vakuumaufdampfkammer 1 zunächst auf einen Druck von 3 χ 10" mbar evakuiert worden war. Unter einer nicht gezeigten Blende wurden die Aufdampfmaterialien

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zunächst eingeschmolzen. Der Emissionsstrom der Elektronenstrahlquelle 24 war hierbei zunächst durch eine Grenzwertvorgabe begrenzt. Nach/dem Einschmelzen wurde mittels des Stellgliedes 36 über den Emissionsstrom ein vorgegebener Sauerstoffpartialdruck eingestellt. Der Regler 33 hielt nunmehr das Verhältnis von Sauerstoffpartialdruck zur Verdampfungsrate im vorstehend aufgezeigten Regelsinne konstant. Sobald eine Schicht aus einem der Schichtmaterialien mit einer Schichtdicke von einer Viertel Wellenlänge niedergeschlagen worden war, wurde die nächstfolgende Schicht mit dem zweiten Aufdampfmaterial in analoger Weise hergestellt. Da sich der Drucksollwert im Hinblick auf die unterschiedlichen Materialien unterschied, wurde diesem Sachverhalt durch eine unterschiedliche Drucksollwertvorgabe Rechnung getragen. Die Beendigung der einzelnen Schritte des Aufdampfvorganges wurde durch Einschwenken der nicht dargestellten Blende erzielt. Die Blende selbst wurde durch ein gleichfalls nicht dargestelltes Fotometer in Abhängigkeit von der Schichtdicke gesteuert. Schichtdickenmessung und Blendensteuerung sind jedoch Stand der Technik, so daß hierauf nicht näher eingegangen wird.

Die erzeugten Schichten zeichneten sich sowohl einzeln als auch in ihrer Gesamtheit als Schichtsystem durch eine große Homogenität und eine sehr gute Reproduzierbarkeit bei unterschiedlichen Chargen aus.

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Claims

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Patentansprüche:

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VjU Verfahren zur.Regelung der Verdampfungsrate oxidierbarer Stoffe beim reaktiven Vakuumaufdampfen durch dosierte Sauerstoffzufuhr in eine Vakuumaufdampfkammer während des Aufdampfens, dadurch gekennzeichnet, daß di.e Sauerstoffzufuhr auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, daß der Druck "p" in der Vakuumkammer erfaßt wird und daß bei Druckänderungen die Verdampfungsrate "r" in dem Sinne nachgeregelt wird, daß das Verhältnis ρ : r im wesentlichen konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmenge auf einem konstanten Wert pro Zeiteinheit geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem widerstandsbeheizten Verdampfer (18) der durch den Verdampferwiderstand fließende Strom druckabhängig geregelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Elektronenstrahl verdampfer (22) der Emissionsstrom der Katode druckabhängig geregelt wird. .
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffpartialdruck erfaßt wird.

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6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, bestehend aus einer Vakuumaufdampfkammer mit mindestens einer Verdampferquelle mit je einer durch ein Stellglied regelbaren Stromversorgungseinrichtung, aus einer Sauerstoffquelle mit einem

. Dosierventil sowie aus einer Druckmesseinrichtung für die Umsetzung des Druckes in ein am Ausgang anstehendes Druck-Meßsignal, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (31) der Druckmeßeinrichtung (29) über einen Regler (33) dem Stellglied (35, 36) für die Stromversorgungseinrichtung (21, 26) in der Weise aufgeschaltet ist, daß bei einer Druckerhöhung in der Vakuumaufdampfkammer (1) eine Verstellung des Stellglieds in Richtung auf eine höhere Leistungsabgabe der Stromversorgungseinrichtung bewirkt wird.

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