DE69302415T2 - Regelanordnung für den von einer Vakuumverdampfungsquelle abgegebenen Materialfluss - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung für den von einer Vakuumquelle abgegebenen Materialfluß und ist dazu bestimmt, eine Maschine zum Aufbringen oder Abscheiden von Dünnschichten durch Vakuumverdampfung auszurüsten, und vor allem eine Maschine mit mehreren Quellen, um eine Materialmischung abzuscheiden.
• Man steht häufig vor dem Problem, die Abscheidungsgeschwindigkeit steuern oder, im Falle einer simultanen Abscheidung von mehreren Materialien, ihr Verhältnis regeln zu müssen, wenn man u.a. wünscht, die Brechzahl eines Filters einzustellen. Es gibt mehrere Methoden. Bei einer von ihnen benutzt man für jede Quelle eine Quarzwaage, die man mit einer Regeleinrichtung verbindet, die die Verdampfungsgeschwindigkeit aus den Angaben der Waage ableitet und die Versorgungsänderungen der Quelle steuert, um die gewünschte Abgabemenge bzw. -leistung zu erhalten. Diese Regelung ist nicht immer ausreichend, denn die Ansprechverzögerung der Quellen bezüglich der Versorgungsänderung ist nicht genau bekannt. Nach einer anderen Methode wird eines der Materialien aus einer Quelle extrahiert und auf einen zu beschichtenden Gegenstand aufgeschleudert, während das andere durch ein anderes Mittel, z.B. einen Gasstrom oder ein Ionenbombardement in den Behälter geleitet wird, in dem sich besagter Gegenstand befindet. Die erste dieser beiden Vorgehensweisen (beschrieben in "Codeposition of continuous composition rugate filters" durch Gunning, Southwell u.a., Rockwell International Science Center, Thousand Oaks, CA, USA, in Applied Optics, Bd.28, Nr.14, S.2945-2948; und in "Rugate filters by lasers flash evaporation of SiOxNy on room temperature polycarbonate, von Bartholonew u.a., IIT Research Institute, Chicago, IL, USA, in Journal of Vacuum Science & Technology, Bd.6, Nr.3, Teil 2, S.1703-1707) ist nicht sehr genau aufgrund der Trägheit der Gasströme und ihrer mangelhaften Gleichmäßigkeit in dem Behälter, und die zweite (beschrieben in "Near infrared Rugate filter fabrication by ion beam assisted deposition of Si(1-x)Nx-Filmen" von Donovan u.a., US Naval Research Laboratory, Washington, DC, USA, Applied Optics, Bd.28, S.2940-2944) erfordert ein besonderes Gerät.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird, wie beschrieben in den Ansprüchen 1 bis 12, eine neue Lösung vorgeschlagen. Sie besteht darin, Abschirmungen oder Abdeckungen zu benutzen, die mit Öffnungen versehen sind, die ständig vor der Quelle vorbeilaufen, wobei sich Öffnungen und vollwandige Teile abwechseln, was man in US-A-3 636 916 wiederfindet, jedoch ist bei der vorliegenden Erfindung die Abdeckung in bezug auf die Quelle auf eine Weise beweglich, die ermöglicht, den Verdeckungsgrad der Quelle zu variieren, d.h. den Zeitanteil, während dem die Quelle abgedeckt ist durch die vollwandigen Teile in bezug auf die Vorbeilauf- Gesamtzeit. Die Abgabemenge der Quelle in Richtung des zu beschichtenden Teils ist unter diesen Bedingungen vollkommen definiert. Der Träger, auf den die Abdeckung montiert ist, ist vorzugsweise beweglich in bezug auf den der Quelle, so daß man den Verdeckungsgrad der Quelle kontinuierlich verändern kann, indem man den Träger verschiebt. Es ist außerdem möglich, die Veränderungen des Verdeckungsgrades proportional zu den Verschiebungen des Trägers zu machen.
• Eine perfektionierte Ausführung dieser Vorrichtung umfaßt mehrere Quellen und ebensoviele Abdeckungen, von Motoren angetrieben. Alle Abdeckungen und Motore sind auf einen einzigen Träger montiert, und die Abdeckungen sind so beschaffen, daß die Verschiebungen des Trägers in bezug auf die der Quellen den Verdekkungsgrad jeder Quelle unterschiedlich verändern. Man kann also die Zusammensetzung der erzeugten Abscheidungen frei modifizieren.
• Die Erfindung wird nun konkreter beschrieben mit Hilfe der beigefügten, erläuternden und keinesfalls einschränkenden Figuren:
• - Figur 1 ist eine Ansicht einer Vakuumverdampfungs-Beschichtungsmaschine, die die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt, wobei die Abdeckung eine als Schnittfläche dargestellte Scheibe ist;
• - die Figur 2 ist eine Ansicht einer Ausführung mit zwei festen Quellen, wobei die komplementären Abdeckungen, von vorn gesehen, auf einen Träger montiert sind, der eine Parallelverschiebung ausführt;
• - die Figur 3 ist eine Ansicht einer Vakuumverdampfungs-Beschichtungsmaschine, die die Vorrichtung der Figur 2 benutzt;
• - die Figur 4 ist eine Ansicht einer Ausführung mit zwei Quellen, wobei jede der von vorn gesehenen identischen Abdeckungen um eine feste Achse rotiert, und die beiden Quellen eine schwingende Bewegung auf einer kreisförmigen Bahn ausführen.
• Es folgt nun der Kommentar zu Figur 1. Die Vakuumverdampfungsmaschine umfaßt zunächst eine Zelle 1, in der das mit einer Beschichtung zu versehende Muster 2 untergebracht ist, vor der Verdampfungsquelle 3, versorgt durch ein elektrisches Kabel 4 und einen Stromgenerator 5.
• Ein Abdeckung 6 ist angeordnet zwischen dem Muster 2 und der Quelle 3, sehr viel näher bei dieser letzteren. Es handelt sich um eine Scheibe mit geringem Durchmesser und einer weiter unten beschriebenen Form. Sie hat in ihrer Mitte eine Achse 7, um die sie sich dreht und die sich in einem gewissen Abstand zu der Quelle 3 erstreckt. Die Achse 7 sitzt in einem Gehäuse 8, das einen elektrischen Motor 9 enthält. Dieser letztere umfaßt eine Abtriebswelle 10 in der Verlängerung der Achse 7 und von dieser getrennt durch eine dichte Zwischenwand 11, guer durch das Innere des Gehäuses 8. Es besteht also keine mechanische Verbindung zwischen der Motorwelle 10 und der Achse 7, sondern der Antrieb wird gewährleistet durch Permanentmagnete 12, die sich auf ihren sich gegenüberstehenden Enden befinden und sich zusammensetzen aus Gruppen von kranzförmig Magneten, wobei sich die Pole abwechseln, um eine Anziehungskraft zu erzeugen und sich dabei den Relativdrehungen zu widersetzen.
• Leitungen 13 durchqueren die Zelle 1, das Gehäuse 8, und enden beim elektrischen Motor 9. Sie enthalten elektrische Versorgungsdrähte und werden von einem Kühlluftstrom durchflossen. Der elektrische Motor 9 wird also vor der hohen Temperatur in der Größenordnung von 300ºC geschützt, die in der Maske 6 durch die Quelle 3 erzeugt wird. Die Achse 7 rotiert in einem offenen Teil des Gehäuses 8 mittels Kugellagern 14, die nicht mit Fett geschmiert werden können und überzogen sind mit einer dünnen Schicht Molybdändisulfid. Die Kugeln sind aus Keramik. Die Antriebswelle 10 kann in gewöhnlichen Kugellagern gelagert sein.
• Das Gehäuse 8 ist auf einen Tisch 15 montiert, der als Träger dient und in der Zelle 1 beweglich ist zur Quelle 3 hin und weg von ihr. Man kann ihn z.B. versehen mit einer Zahnstange 16 und einem Ritzel 17, das betätigt wird durch eine außerhalb der Zelle befindliche Kurbel 18. Man sieht, daß die Abdeckung 6 vor der Quelle 3 verschoben wird, dabei jedoch in derselben Ebene bleibt, um vor ihr einen Kreis eines gewähltem Durchmesser vorbeilaufen zu lassen, wenn der Motor 9 eingeschaltet wird und die Achse 7 sich dreht.
• Die Einrichtungen zum Sicherstellen der Dichtheit der Zelle 1 und zum Erzeugen des für die Abscheidung nötigen Vakuums sind die üblichen und wurden nicht dargestellt. Hier wurden auch nicht die Vorrichtungen dargestellt, die dem Tisch 15 das Gleiten ermöglichen und die aus Gleitführungen oder Schienen bestehen können, die an der Wand der Zelle 1 befestigt sein können.
• Nun folgt der Kommentar zu Figur 2, die eine Maschine mit zwei ortsfesten Quellen 3a und 3b zeigt, die versorgt werden über elektrische Kabel 4a bzw. 4b und zusammenwirken mit jeweils einer Abdeckung 6a oder 6b, angebracht auf einem auf Schienen 29 eine Parallelverschiebung ausführenden Träger 15 und drehbar unter der Einwirkung einer Achse 7a oder 7b. Zwei Hauptformen von Abdeckungen 6 wurden dargestellt: die erste Abdeckung 6a ist eine Scheibe 20 mit kreisförmiger Außenkontur, versehen mit drei lappenförmigen Öffnungen 21, deren bogenförmige Ausdehnung in Richtung Rand ständig abnimmt. Die Öffnungen vereinigen sich fast auf einem Kreis mit einem ziemlich kleinen Radius, enden aber nach innen hin, so daß die erste Abdeckung 6a eine zentrale Verbindungsfläche 22 mit der Achse 7a aufweist. Drei vollwandige Teile 23 erstrecken sich zwischen den Öffnungen 21, vereinigen sich am Rand der ersten Abdeckung 6a, um die kreisförmige Außenkontur 20 zu bilden, und sind dabei aus einem Stück mit der zentralen Fläche 22.
• Die zweite Abdeckung 6b hat eine unterschiedliche Form, da sie drei vollwandige Teile 24 umfaßt, die bezüglich ihrer Form ähnlich lappenförmig sind wie die Öffnungen 21. Die vollwandigen Teile 24 sind miteinander vereinigt und erstrecken sich auf der Achse 7b; Einschnitte 25 zwischen den vollwandigen Teilen 24 bilden Öffnungen an der Peripherie der zweiten Abdeckung 6b, die jedoch vollwandig ist innerhalb ihrer Kontur 26. Die Öffnungen 21 sind ebenso wie die vollwandigen Teile 24 abstandsgleich zur Achse 7 und gleichmäßig verteilt auf der Peripherie der Abdeckungen 6. Die Öffnungen 21 und die vollwandigen Teile 24 haben zudem identische Abmessungen und Formen.
• Die Abdeckungen 6a und 6b mit komplementären Formen drehen sich unabhängig in derselben Ebene; sie können durch unterschiedliche Motoren bewegt werden oder durch einen einzigen Motor, ausgestattet mit zwei Übertragungssystemen, die ihn mit den beiden Achsen 7a und 7b verbinden. Bei dieser Ausführung der Erfindung, dargestellt in den Figuren 2 und 3, sind die Motoren 9a und 9b beide am Tisch 15 befestigt. Der Tisch gleitet auf Schienen 29. Die Quellen 3a und 3b sind ortsfest. Eine Bewegung des Tisches in Richtung S1 nähert die Quellen 3a und 3b durch eine reine Radialbewegung der Drehachse der ihr zugeordneten Maske. Die Quelle 3a entfernt sich also von der kreisförmigen Außenkontur 25 der Maske 6a, was die Vorbeilaufzeit der Öffnungen 21 vor der Quelle 3a erhöht und die Vorbeilaufzeit der vollwandigen Teile 23 verringert, d.h. den Verdeckungsgrad der Quelle 3a. Diese Vorrichtung ermöglicht also eine entgegengesetzte Veränderung der Verdeckungsgrade der Quellen 3a und 3b, deren Summe gleich 1 bleibt, wenn die Lappen der vollwandigen Teile 24 entsprechend geformt sind. Die auf dem zu beschichtenden Gegenstand abgeschiedene Mischung hat eine variable Zusammensetzung und die Abscheidungsgeschwindigkeit bleibt konstant.
• Bei einer anderen Ausführung der Erfindung, dargestellt in Figur 4, sind die Abdeckungen 6c und 6d identisch, besitzen dieselbe Form wie die vorhergehende Abdeckung 6a und befinden sich an festen Plätzen in der Zelle 1, von der sie getragen werden; die Quellen 3 jedoch sind befestigt an den Enden der beiden Arme eines Balanciers bzw. Waagbalkens 27, der sich unter den Abdeckungen 6c und 6d erstreckt und in seiner Mitte beweglich ist um eine Schwenkachse 28, parallel zu den Achsen 7, die von der Außenseite der Zelle 1 aus bewegt werden kann durch eine Kurbel oder eine analoge Einrichtung.
• Die Quellen 3a und 3b sind also nicht ortsfest, sondern führen um die Achse 28 des Waagbalkens 27 eine Schwenkbewegung aus.
• Die Bewegungen des Waagbalkens 27 entfernen eine der Quellen 3 von der Achse 7 der zugeordneten Abdeckung 6 und bewirken das Umgekehrte bei der anderen Quelle 3, wobei sie die Quellen 3 auf konstantem Abstand von den Abdeckungen 6 halten : eine Bewegung des Waagbalkens 27 im Uhrzeigersinn nähert die Quelle 3a radial der kreisförmigen Außenkontur 20 der ersten Abdeckung 6c, was die Vorbeilaufzeit der Öffnungen 21 vor der Quelle 3a reduziert und die Vorbeilaufzeit der vollwandigen Teile 23 erhöht, d.h. den Verdeckungsgrad der Quelle 3a. Die Quelle 3b ihrerseits nähert sich radial der Achse 7b, simultan dazu und um das gleiche Quantum, wenn die Achse 28 abstandgleich ist zu den beiden Quellen 3, so daß die Vorbeilaufzeit der vollwandigen Teile 23 und ihr Verdeckungsgrad abnehmen. Diese Vorrichtung ermöglicht also eine entgegengesetzte Veränderung der Verdeckungsgrade der Quellen 3a und 3b, deren Summe gleich bleiben kann, wenn die Lappen der vollwandigen Teile 23 entsprechend geformt sind. Wenn also die von den Quellen 3a und 3b stammenden Materialflüsse gleich groß gewählt werden, bleibt die Abscheidungsgeschwindigkeit konstant und die auf dem zu beschichtenden Gegenstand abgeschiedene Mischung hat eine Zusammensetzung, deren Veränderung gesteuert wird durch die Bedingungen, die gegeben sind durch die Form der Masken und die Bewegung des Waagbalkens.
• Verständlicherweise würden Abdeckungen 6 mit anderen Formen oder an anderen Stellen angeordnet den Verdeckungsgrad nach anderen Prinzipien verändern, d.h. mit unterschiedlichen Veränderungen, je nach angestrebtem Resultat und insbesondere der Feinheit der Regelung der Zusammensetzung oder der Abscheidungsgeschwindigkeit der verdampften, dann abgeschiedenen Mischung. Diese Resultate können erzielt werden, indem man die Quellen 3 am Ende von Armen unterschiedlicher Länge anbringt, indem man Abdeckungen mit Lappen oder Öffnungen unterschiedlicher Größe verwendet oder indem man Abdeckungen auf beiden Seiten der Quellen vorsieht. Es ist außerdem ohne weiteres möglich, abnehmbare Abdeckungen 6 und Achsen 7 zu verwenden, die bei jeder Benutzung der Maschine ausgetauscht werden können.
• Umgekehrt könnte man die Quellen 3 an der Zelle 1 befestigen, wie bei der vorhergehenden Ausführung, und die Abdeckungen 6 und ihren Motor 9 an dem Waagbalken anbringen.
• Eine Vakuumverdampfungs-Abscheidungsmaschine desselben Typs kann ebenso mit identischen Abdeckungen ausgerüstet werden, die dieselbe Form wie die vorhergehende Abdeckung 6b aufweisen.
• Die Formen der Lappen werden vorteilhafterweise so gewählt, daß die Veränderungen des Verdeckungsgrads proportional zu den Verschiebungen sind. Im Falle von Parallelverschiebungen zwischen der Quelle 3 und der Abdeckung 6 kommt man zu diesem Resultat, wenn die Grenzen der Öffnungen oder der Lappen Abschnitte von Spiralen sind (der Gleichung R=aΘ+b, wo a und b konstante Koeffizienten bzw. Faktoren sind, mit den Konventionen der Figur 2: R und Θ sind auf die Achse 7 zentrierte Polarkoordinaten).
• Man kann andere Abeckungen als drehende Scheiben vorsehen: zum Beispiel sind Bänder vorstellbar, die endlos sind oder sich hin- und herbewegen und eine sägezahnförmige Kontur aufweisen. Die elementaren Vorteile der Erfindung, nämlich die Leichtigkeit, die Genauigkeit und die Feinheit der Verdampfungsmengenabgabe der Quellen in Richtung des zu beschichtenden Gegenstands würden erhalten bleiben.

Claims (12)

1. Regelanordnung eines Materialflusses, abgegeben von einer Quelle (3), angebracht an einem Träger, umfassend eine Abdeckung, gebildet durch volle Teile (23, 24) und Öffnungen (21, 25), einen Motor (9), der die Abdeckung (6) vorbeilaufen läßt vor der Quelle (3), und einen anderen Träger (1, 15), auf dem die Abdeckung und der Motor angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Träger beweglich ist in bezug auf den anderen, so daß man den Verdeckungsgrad der Quelle variieren kann, definiert als das Verhältnis - bezogen auf die Gesamtzeit des Vorbeilaufens - der Zeit, während der die vollen Teile der Abdeckung sich vor der Quelle erstrecken bzw. befinden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung gebildet wird durch eine sich um eine Achse (7) drehende Scheibe, exzentrisch in bezug auf die Quelle, wobei die Öffnungen gleichmäßig über einen Umfang der Scheibe verteilt, identisch und um die Achse herum angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen von den vollen Teilen getrennt sind durch lappenförmige Konturen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen eine derartige Form haben, daß die Veränderungen des Abdeckungsgrades proportional sind zu den Verschiebungen des Trägers.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger bezüglich der Quelle eine Translationsbewegung ausführt und daß die Konturen die Form einer Spirale aufweisen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Quellen aufweist und ebensoviele von Motoren bewegte Abdeckungen, einen einzigen Träger für das Anbringen aller Abdeckungen und Motoren und einen weiteren einzigen Träger für das Anbringen aller Quellen, wobei die Abdeckungen so beschaffen sind, daß die Verschiebungen des beweglichen Trägers den Abdeckungsgrad jeder Quelle variieren lassen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Träger durch einen Tisch (15) gebildet wird, der eine Translationsbewegung auf Schienen (29) ausführen kann, wobei der andere Träger ortsfest ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Träger ein um eine Achse (28) drehbarer Schwinghebel (27) ist, wobei der andere Träger feststehend ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen, die Abdeckungen und die Träger so angeordnet sind, daß alle Quellen Relativbewegungen gleichen Ausschlags in bezug auf die Abdeckungen ausgesetzt sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, bei der es zwei Quellen gibt, die jeweils zwei Abdeckungen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen identisch sind und die Quellen Verschiebungen ausgesetzt sind, radial und in entgegengesetzten Richtungen, bezogen auf die zugeordnete Abdeckung.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, bei der es zwei Quellen gibt, die jeweils zwei Abdeckungen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen derart geformt sind, daß die Öffnungen der einen Abdeckung den vollen Teilen der anderen Abdeckung entsprechen und die Quellen Verschiebungen ausgesetzt sind, radial und in gleicher Richtung, bezogen auf die zugeordnete Abdeckung.

12. Apparat zur Beschichtung durch Verdampfung unter Vakuum, dadurch gekennzeichnet, das die das zu beschichtende Muster (2) enthaltende Vakuumzelle (1) ausgestattet ist mit einer Materialfluß-Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.