DE2834813C2

DE2834813C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Verdampfungsrate oxidierbarer Stoffe beim reaktiven Vakuumaufdampfen

Info

Publication number: DE2834813C2
Application number: DE2834813A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Jürgen 6234 Hattersheim Heimbach; Walter 6450 Hanau Zültzke
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: 1983-01-20
Also published as: GB2028380B; FR2433055A1; DE2834813A1; NL7906040A; BE878143A; CH641498A5; FR2433055B1; GB2028380A; US4287224A; US4408563A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche I >o und b.

Die Qualität, insbesondere die optischen Eigenschaften, aufgedampfter Oxidschichten hängt bei der reaktiven Verdampfung sehr stark von der Homogenität des Schichimateriiils innerhalb der aufgedampften Schicht ab. Dies gilt in besonderem Maße für aufgedampfte Mehrfachschichtsysteme, zu denen die sogenannten Interferenzschichtsysteme gehören. Gelingt es nicht. Schicht für Schicht unter gleichen Bedingungen aufzudampfen, d. h. jede Schicht mit &o 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 insbeson- hi dere eine Reproduzierbarkeii des Verfahrens weitgehend ausschließen. Das Absorptions- bzw. Transmissions-Verhalten über bestimmte Wellenlängertbereichc des Lichts labt 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 Veränder mg der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Sauerstoff sowie der ständige Verbrauch an Sauerstoff durch die Oxidation des 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 Schichtmaterials 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 Regelverhaltens der hierfür benötigten Dosierventil nur sehr ungenügend erreicht werden. Andererseits w jr der Fachmann aber auch bestrebt, die Verdampfungsra-Ie der Verdampf^quellen 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 zugefuhrten Sauerstoffs.

Die DEPS 10 55 132 offenbjrt ein kombiniertes Verfahren, bei dem Selen aufgedampft und Thallium als Sperrschicht durch ein Katoüenzerst-ubtingsverfahren aufgebracht werden sollen. Eine reaktive Beschichtung, bei der das Beschichtungsmatenal mn einem in der Zerstäubungsatmosphare vorhandenen reaktiven Gas wie Sauerstoff reagieren soll, ,st nicht offenbart. Mithin Stellt sich auch das Problem nicht, daß sich der Partialdruck des reaktiven Gases dunh dessen selektiven Verbrauch verändern könnte.

Die C H PS j 22 2b"> und DE-AS 11 04 283 offenbaren ein reaktives Aufdacipfverfahren. bei dem die zugefuhr te Ga«menge durch ein Regelventil beeinflußt wird, das von einem Vakuummeter geregelt wird. Bei Dnakande rungen in der Vakuumkammer wird die Menge de¹· zugeführten Gases pro Zeiteinheit so geändert, dal* die Druckänderungen rückgängig gemacht werden Da hierbei die Verdampfungsrate nicht geregelt wird, ändert sich laufend das Verhältnis der verdampften Materialmenge zur Menge der /ur Oxidation benotigten Sauersloffmenge. Dies hai /ur folge, daß eine Absorption des Lichtes in der niedergeschlagenen Schicht nicht völlig verhinder werden kann und dall die Brechungsindiees der niedergeschlagenen Schichten inhomogen werden.

Die DE-OS 27 5ObII offenbart die Herstellung von Schichten, die einerseits nichtmetallischen Charakter, andererseits metallischen Charakter hüben sollen. Die Beeinflussung des Schiehtcharakters erfolgt dabei durch gezielte Veränderung der Parameter Gesanitdruck und

Verdamprungsraie. ßeiue Parameter niuasen dabei zur Erzielung gleichmäßiger bzw. homogener Schichten in äußerst engen Grenzen konstant gehalten werden, d.h. es ist nicht möglich, den einen Parameter zum Ausgleich von Veränderungen des anderen Parameters in weiten Grenzen nachzuregeln. Das Regelverhalten des bekannten Verfahrens ist an die physikalischen Vorgänge bei einem Katodenzerstäubungsverfahren gebunden und nicht auf die Vorgänge beim Vakuumaufdampfen übertragbar.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Verdampfungsrate oxidierbarer Stoffe beim reaktiven Vakuumaufdampfen gemäß der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mittels welchem Einfach- und Mehrfachschichten möglichst homogenen Oxidationsgrades erhalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Verfahrens durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrich tung durch die im Kennzeichen des Anspruchs b angegebenen. Merkmale

Von dem genannten Stand der Technik, der veh aui die reaktive Katoden/ersläubung bezieht, bei der cm Gemisch aus einem Inertgas und einem reaktiven Gas zugeleitet w ird, unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand grundsätzlich dadurch, daß es sich um ein Vakuumaufdampfverfahren in reaktiver Atmosphäre handelt. Beim reaktiven Vakuumaufdampfen wird statt eines Gasgemischs ausschließlich Sauerstoff eingeleitet. Dadurch ist der Restgasanteil vernachlässigbar: Er ist in der Regel kleiner als 1%. Es spielt infolgedessen beim Erfindungsgegenstand keine wesentliche Rolle, ob der Gesamtdruck oder der Sauerstoff-Partialdruck erfaßt wird. Unabhängig davon kann in sehr engen Grenzen das Verhältnis des Sauei stoffdrucks bzw. -Partialdrucks zur Verdampfungsrate etfjßt und geregelt »erden, wobei der Druck sogar verhältnismäßig stark schwanken kann, ohne daß di« Schichteigenschaften negativ beeinflußt werden, solange nur gemäß der Erfindung die Verdampfungsi ite entsprechend nachgeregelt wird.

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 Vvrdampfjngsgutes wird c:r vorhandenen Sauerstoffmenge angeoaßt. Aufgrund des weiter oben beschriebenen Gleichgewichtszustandes läuft dies dar auf hinaus, daß das Verhältnis der pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffringe zur Verdampfungsrate gleichfalls konstant gehallen wird. Dieses Konstanthal ten der Oxid; tionsreaktinn führt zu den angestrebten homogenen Schichten. Sobald die vorhandene Druck mcßeinruhtung feststellt, daß der Druck in der Vakuumkammer, vorzugsweise der Saueistoffpartial druck absinkt, wird die Verdampfungsr.ite durch Verringerung der / geführten elektrischen Leistung reduzier), su dal) — mit Ausnahme der geringen Regelabweichung — das oben angegebene Verhaltm·, konst.irr ,ehalten wird. Stellt umgekehrt die Druckmeßeinrichtung einen Anstieg des Drucks in der Vakuumkammer, insbesondere des Sauerstoffpartialdriicks, fest, so wird die Vcrdampfung.sratc entsprechend hcraufgcregelt, wodurch gleichfalls die gewünschte Konstanz des genannten Verhältnisses erreicht wird. Als Verdampfiuigsniiilcn.il kommen mehl nur Metalle, sondern auch nllständige oder teilw e's«.· '.^A\ide von Metallen in

die sich in neutraler Atmosphäre im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung verändern würden. Der Erfindun?sgegenstand kommt vornehmlich für die Erzeugung van dielektrischen Schichten aus TiO>, SiOi 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 · 10-^bmbarist.

Der Frfindungsgegenstand kann noch dadurch weiter ausgestaltet werden, daß Vorkehrungen dafür getroffen werden, daß die Sauerstoffmenge auf einen konstanten Wert pro Zeiteinheit geregelt wird. Für 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 Aufdampf- -" rate beeinflußt wird, so daß die druckabhängige Regelung nur die Ratenschwankungen ausgleichen muß. Auf diese Weise w ird zuverlässig erreicht, daß auch die Verdampfungsrate weitgehend konstant genalten wird, obwohl das Regelsystem im Gegensatz zu bekannten -'' Ratenregelungen sofort auf eine Veränderung 'es Vakuums bzw. des Sauerstoffpartialdrucks ansprechen würde.

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. Partialdrucks führt in diesem Faile zu einer Verminderung der Verdampfungsrate.

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

Fine Vakuumaufdampfkammer 1 ist an ihrer Vorder-^J' seite mit einem Dichtungsflansch 2 und Dichtl isten 3 versehen, auf denen beim Betrieb ein enr.prechc'idcr Gegenflansch einer nicht dargestellten Tür aufliegt. Durch eine zylindrische Kammerwand 4 ist mittels einer Durchführung 5 eine Rohrleitung 6 hindurchgefuhrt. die "' über einen Gasmengenmesser 7 mit einer Suuerstoffquclle 8 in Verbindung steht. In der Rohrleitung b befindet sich ein selbsttätig geregeltes Dosierventil 9. dessen Durchsatz mittels eines Einstellknopfes 10 veränderbar ist.

Durch eine Bodenplatte 11 ist ein Saugstutzen 12 eines Vakuumpumpsdt/es Π hindurchgeführt An einer oberen Deckplatte 14 ist ein kalottcnformiger Substrathalter 15 drehbar befestigt, dessen Drehachse an einer Flanschplatte 16 befestigt ist Die Rotation des " Substrathalter 15 w-d über einen Getnchcmotor 17 bewirkt.

Unterhalb des Substrathalter 15 ist auf der Bodenplatte 11 ein wiclerstandsbchciztcr Verdampfer 18 mit einem Vcrdampfcrschiffchen 19 angeordnet, dessen Widersland den sogenannten Verdampferwiderstand bildet Oer Verd« /npfer 18 steht über Ansrhl.ißk-itungcn 20 mit einer regelbaren Stromversorgungseinrichtung 21 in Verbindung. Durch deren Regelung kann

der Stromfluß im Verdampferschiffchen 19 und damit die Verdanipftingsrate beeinflußt werden. Auf der Bodenplatte Il ist unterhall· ties Substrathalter 15 iiuUcnlcm ein Elcktronenstrahlverdampfcr 22 mit einem Verdampfertiegel 23 und einer Elektronensirahlquelle 24 angeordnet, die über Anschlußleitungen 25 mit einer gleichfalls regelbaren Stromversorgungseinrichtung 26 in Verbindung steht. Über die Anschlußleitungen 25 wird sowohl die erforderliche Hochspannung als auch die Heizspannung für die nicht näher bezeichnete Katode der Elektronenstrahlquelle 24 zugeführt. Durch Veränderung der Hochspannung (Beschleunigungsspannung) und/oder der Heizspannung ist es möglich, die Leistung der F.lektronensirahlquelle und damit die Verdampfiingsrate des im Vcrdampfertiegel 23 befindlichen Verdampfungsgutes zu beeinflussen.

In der Rodenplatte Il bcfindei sich außerdem ein Driiekmeßfühler 27. der dem Druckbereich und der Anzeigegenauigkeit entspricht und ein dem Sauerstoffpartialdruck entsprechendes elektrisches MeUsignal 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 umschalibar — 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 Elektronenstrahlquelle 24.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise:

Mittels des Vakuumpumpsatzes 13 wird zunächst in der Vakiium-Aufdampfkammer I ein Druck kleiner als ι 5x10 ^h mbar erzeugt. Danach wird mittels des Dosierventils 9 pro Zeiteinheit eine solche Sauerstoffmenge in den Rczipicnten eingeleitet, daß sich dort ein Druck von 7x10 ⁴ mbar als Gleichgewichtszustand einstellt. Sofern nun in dem widerstandsbeheizten ⁴ Verdampfer 18 oder in dem Elektronenstrahlverdampfer 22 die Verdampfung von oxidierbaren Stoffen beginnt, wird der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumaufdampfkammer I abgesenkt, und zwar auf einen Druck, der den gewünschten Aufdampfbedingungen ^J entspricht. Steigt nun dieser Druck durch irgendeinen Vorgang an. beispielsweise weil durch das Dosierventil zuviel Sauerstoff nachströmt, oder weil die Verdampfungsrate nachläßt, so registriert der Druckmeßfühler in Verbindung mit der Druckmeßeinrichtung 29 >' 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 Verdainpfungsvorgang nunmehr in einem Sinne nach, daß die Verdampfungsrale erhöht wird, wodurch ein vergrößerter Sauerstoffbedarf eintritt, der der zugefiihrten Sauerstoffmenge pro • Zeiteinheit entspricht. Umgekehrt führt eine Druckabsenkung in (Ι· ι Vakuumaiifdampfkaminer I zu einer Verringerung der Aufdanipfrate. so daß diese wiederum dem verringerten Sauerstoffangebot entspricht.

, Beispiel

In einer Vorrichtung gemäß der l'igur wurden auf Glassiibstraten Interferen/schichtsvsteine durch abwechselndes Aufda. ι pfeil \on SK hund IiO in reaktiver Atmosphäre hergestellt. In diesem l-'.ill befand sich im ' Elektronenstrahlverdampfer 22 ein J Napf-Tiegel, in dem die beiden Aurdampfmaterialien getrennt untergebracht waren. Durch Drehen des Verdampfertiegels 2? ließ sich jeweils eine der Vcrd.i'iipfungssubstan/en in den Weg des von der I "lektronenstrarilquelle 24 ' ausgehenden Elektronenstrahls bringen. Mittels des Dosierventil¹- 9 wurde ein .Sauerstoffdruck von 7x10 'mbar eingestellt, nachdem die Vakiium.infdampfkammcr I zunächst auf einen Druck \<m 3 χ 10 "mbar evakuiert worden war. Unter einer nicht ' gezeigten Blende wurden die Atifdanipfmaterialien zunächst eingeschmolzen. Der Emissionsstrom der Elektronenstrahlquelle 24 war hierbei zunächst durch eine G'rnzwertvorgabe begrenzt Nach dem Einschmelzen wurde mittels ties Stellgliedes 36 über den Emissionsstrom ein vorgegebener Sauerstoffpartialdruck eingestellt. Der Regler 3? hielt nunmehr das Verhältnis von Sauerstoffpariialdruck 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 Drucksolluertvorgabe 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 Schichtsy'em durch eine große Homogenität und eine sehr gute Reproduzierbarkeit bei unterschiedlichen Chargen aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der Verdampfurgsrate oxidierbarer Stoffe beim reaktiven Vakuumaufdampfen von Oxidschichten für optische Zwecke durch dosierte Sauerstoffzufuhr in eine Vakuumaufdampfkammer während des Aufdampfens, dadurch gekennzeichnet, daß die 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 1, 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. Verfaß.en nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Elektronenstrahlverdampfer (22) der Emissionsstrom der Katode druckabhängig geregelt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffpartialdruck erfaßt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis \ bestehend aus einer Vakuumaufdampfkammer mit mindestens einer Verdampferquelle mit je einer durch ein Sieliglied regelbaren Stromversorgungseinrichtung, aus einer Sauerstoffquelle mit e.nem D sierventil sowie aus einer Druckmeßeinrichtrng für die Umsetzung des Druckes in ein am Ausgang > !Stehendes Druck Meßsignal, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (31) der Druckmeßeinrichtung (29) über einen Regler (33) dem Stellglied (35, 36) fur die Stromversorgungseinrichtung (21, 26) in der Weise aufgeschaltet ist, daß cine Druckerhöhung in der Vakuumaufdampfkammer (1) eine Verstellung des Stellglieds in Richtung auf eine höhere Leistungsabgabe der Stromversorgungseinrichtung bewirkt.

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