WO1997030185A1 - Method and device for control of a vacuum coating process - Google Patents

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WO1997030185A1
WO1997030185A1 PCT/DE1997/000264 DE9700264W WO9730185A1 WO 1997030185 A1 WO1997030185 A1 WO 1997030185A1 DE 9700264 W DE9700264 W DE 9700264W WO 9730185 A1 WO9730185 A1 WO 9730185A1
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vacuum chamber
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Klaus Goedicke
Christoph Metzner
Bert Scheffel
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling an evaporation or atomization process in a vacuum chamber. Following the procedure in particular ⁇ be sondere disk and tape-like substrates or tools with functional layers coated be ⁇ .
  • the coating rate It is known to measure the coating rate at one or more locations near the substrate or to measure the steam flow between the coating source and the substrate, it being possible for the coating source to be an evaporator or an atomization source.
  • the coating rate There are a large number of methods for determining the coating rate, such as, for example, measuring the layer thickness by means of quartz crystal or microbalance in the vicinity of the substrate (Kienel, G .: Vacuum Coating Volume 3 - Plant Automation, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1994, p.25 ff, P.35 ff, p.40 ff).
  • the coating rate is determined using these methods for measuring the layer thickness. With the signal obtained, the evaporation speed and thus the evaporation or atomization process are regulated via a control loop.
  • the main disadvantage of these methods is the measuring arrangement.
  • the sensors must be arranged in the steam chamber and are therefore subject to such a high steam and heat load that they have to be replaced after a relatively short time. This means that frequent process interruptions are necessary and long-term operation is hardly possible. For this reason, these processes for controlling coating processes are only suitable for low coating rates. Furthermore, only a small part of the steam flow is measured, from which the entire steam flow reaching the substrate is deduced. This has a particularly disadvantageous effect on large-area substrates, since the sensors, in order not to shade the substrate, are at a different distance and angle to the coating source than the substrate are arranged and therefore the vapor flow density to the sensor has a different size than the vapor flow density to the substrate. This leads to errors.
  • the sensors involved are not located directly in the steam flow, but are laterally offset from the steam flow.
  • the main disadvantage of these methods is that, besides the steam flow, the measured variables also depend to a large extent on other coating parameters, such as depend on the coating material, ionization and excitation of the steam. These measuring arrangements must therefore be recalibrated for each coating material, which is very complex.
  • a further disadvantage is that the sensors have to be arranged in the steam space and are therefore in turn subject to a gradual coating. As a result, process interruptions for changing the sensors are also required, which is disadvantageous for long-term operation.
  • the rate of evaporation in evaporation processes has hitherto only been determined as an average over time by interrupting the coating process at greater intervals and weighing the evaporation material before and after coating.
  • this method is unsuitable for industrial use, since the evaporation rate is only averaged over large time intervals and is therefore not available for constant control of the coating process, or the coating process for weighing would have to be interrupted continuously.
  • no suitable method is known that is able to evaluate the current evaporation rate or atomization rate during the process.
  • a method for monitoring the fill level of evaporator crucibles with light or laser beams is known.
  • a light beam is reflected on the surface of the coating material and closed from the beam path to the fill level of the crucible (DE 38 27 920 A1).
  • This method has the disadvantage that the beam path is disturbed by possible wave movements of the surface of the evaporation material.
  • the method also has the deficiency that the beam, by having to be guided through the areas of highest vapor density, is subject to scattering and absorption, which leads to a falsification of the measurement result. For this reason, this method is only suitable to a limited extent to regulate a coating process in order to meet the high requirements for the stability of the coating rate and the exact composition of the vapor-deposited layer.
  • the invention has for its object to provide a method and a device which allow a vacuum coating process to be adapted to a given coating technology by monitoring the coating process, in particular evaporation by means of electron beams, and influencing its parameters in such a way that a individual, plate-shaped or ribbon-shaped substrates are reactively or non-reactively vapor-deposited with high layer quality, with uniform layer thicknesses being achieved with a predetermined layer composition, in particular in the case of large-area substrates.
  • the process should also be suitable for atomization processes, in particular for long-term processes.
  • the atomization sources should be arranged in any position.
  • the coating process should be simple and reliable to carry out over a long period of time.
  • the device should be simple in terms of apparatus.
  • the coating rate by weighing In contrast to the known methods for determining the coating rate by weighing, it was found to measure the use of the weight during the coating process and to process this value further as a signal. This is done by differentiating the measurement signal obtained over time. With this differentiated signal and the measurement signal, it is possible to use a control circuit known per se. ter of the evaporation or atomization process, in particular the nominal evaporation rate or atomization rate.
  • the differentiated signal determined is a direct measure of the effective evaporation rate or atomization rate. There is the difference between the nominal rate of evaporation or atomization rate and the rate of condensation of steam or gas particles on the coating material.
  • the most important advantage is that in this method a signal is determined from the consumption of coating material in order to regulate parameters of the evaporation or atomization in such a way that the evaporation rate or the atomization rate remains constant or during the coating process is specifically changed in accordance with the coating technology.
  • the coating process is thus regulated in a direct manner, since the properties of the applied layers are essentially determined by evaporation or atomization.
  • the weight can be measured simply and continuously without interrupting the coating process, which means that the signal obtained can also be used to continuously control it.
  • the entire flow of coating material and not just a partial area for characterization is measured via this signal.
  • the coating source is fixed in the vacuum chamber by means of force cells.
  • the load cells are e.g.
  • the surfaces of the coating material may be contaminated, which consequently leads to a change in the rate of evaporation or atomization and to a change in the composition of the layer material.
  • the flow of the reactive gas into the vacuum chamber can also be controlled, so that with the weight obtained and differentiated signal of the gas inlet is controlled so that the differentiated signal adjusts to a predetermined setpoint.
  • the regulation of a coating process is carried out as follows.
  • the weight of the evaporation or sputtering material is measured together with the weight of the evaporator or the sputtering source during the evaporation or sputtering process ⁇ by one or more load cells continuously.
  • the weight is converted by the load cells into an electrical analog or digital signal.
  • This signal from the load cells is first subjected to filtering in a known manner. This filtering can be carried out analogously with an electronic low-pass filter or through digital filters.
  • the filtered signal is then differentiated over time. This differential formation takes place in an analog or digital way.
  • the filtered signal of the weight and the differentiated signal as a measure of the rate of evaporation or atomization rate are supplied as measured variables to a known control circuit which acts on the parameters determining the evaporation or atomization.
  • a large number of parameters can be controlled by this method in order to control the evaporation or atomization and thus have a direct influence on the coating process.
  • the measurement signal obtained from the weight can advantageously be used to influence these deflection parameters and / or to focus the beam.
  • a further advantageous embodiment of the method for controlling coating processes consists in using the undifferentiated signal in the case of evaporator crucibles with continuously working refill devices for the evaporation material in order to regulate the refill quantity in such a way that the quantity of the evaporation material or the fill level remains constant in the evaporator crucible. Long-term stability of the evaporation rate is thereby achieved, since this also depends on the filling level.
  • the consumption of coating material or the instantaneous filling level of the evaporator crucible or the depth of erosion of the target of the atomization source can be determined from the measurement signal.
  • the coating process is regulated by regulating the beam focusing and / or the deflection parameters during evaporation or a magnetic field penetrating the target during atomization in order to avoid a change in the coating rate. This also determines the time and the amount for refilling the evaporation material or the change of the target.
  • the device for carrying out the method has the advantage that existing devices can also be retrofitted without great effort, since the coating sources are no longer directly connected to the vacuum chamber, but instead force measuring cells are arranged between the coating source and the vacuum chamber. Furthermore, a conventional control circuit is necessary, which in the simplest case consists of a filter, a differentiating element and a controller with which the measurement signal is processed in order to regulate the corresponding parameters of the coating process.
  • FIG. 2 shows a section through a device for carrying out the method with a magnetron sputtering source
  • an electron gun 2 of the axial type is arranged on one side of a vacuum chamber 1, the electron beam 3 of which is applied to a titanium-filled evaporator crucible 4.
  • the evaporator crucible 4 is fastened in the vacuum chamber 1 by means of load cells 5, consisting of elastic elements with applied strain gauges.
  • a substrate 6 to be coated is arranged above the evaporator crucible 4.
  • the filter 7 connected downstream of the load cells 5 prepares the signals of the forces measured with the load cells 5.
  • the output signals of the filter 7 are a difference ornamental element 8 supplied.
  • the output signals of the filter 7 and the differentiator 8 are then fed to a controller 9. This processes the signals and compares them with specified target values.
  • the desired value for the power controller 10 of the electron gun 2 is tracked.
  • the setpoint parameters for the deflection control 11 are changed by the controller 9.
  • the vacuum chamber 1 there is also a refill device 12 with which evaporation material is continuously fed to the evaporator crucible 4.
  • This refill device 12 is controlled by the controller 9 so that the output signal of the filter 7 remains constant.
  • two magnetrons 13 with a titanium target and adjustable magnetic device are arranged within a vacuum chamber 1.
  • the magnetrons 13 are fastened in the vacuum chamber 1 by means of force measuring cells 5, consisting of elastic elements with applied strain gauges.
  • the substrate 6 to be coated is arranged above the magnetron 4.
  • the filters 7 connected downstream of the load cells 5 process the signals of the forces measured with the load cells 5.
  • the output signals of the filters 7 are fed to a differentiator 8.
  • the output signals of the filter 7 and the differentiator 8 are then fed to a controller 9. This processes the signals and compares them with specified target values. If the output signal of the differentiating element 8 deviates from a desired value for the atomization rate, the desired value for the adjustable magnetic device of the magnetrons 13 is adjusted so that the output signal of the differentiating element 8 remains constant.

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Abstract

In the known methods for control of vacuum coating processes, measurable variables such as plasma emission and coating rate are measured in the plasma or vapor in order to control the vacuum coating process using process parameters of the vaporization or sputtering. This subjects the sensors to high levels of stress, which adversely affects their durability. Using weight as a measurable variable derived from the weight of the coating material and of the coating source, the vacuum coating process is controlled by measuring the weight loss during coating. The coating source is arranged in the vacuum chamber with the aid of force transducers, and the signal emanating from the force transducers is used to control, for example, the electrical energy to heat the vaporizing material, the beam deflection or the gas flow, without the sensors coming in contact with the plasma or the vapor. Vacuum coating processes, particularly for coating tools and sheet substrates with functional coatings, can be controlled with this method and device.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Regelung eines VakuumbeschichtungsprozessesMethod and device for controlling a vacuum coating process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung eines Verdampf ungs- oder Zerstäubungsprozesses in einer Vakuumkammer. Nach dem Verfahren werden insbe¬ sondere platten- und bandförmige Substrate oder Werkzeuge mit Funktionsschichten be¬ schichtet.The invention relates to a method and a device for controlling an evaporation or atomization process in a vacuum chamber. Following the procedure in particular ¬ be sondere disk and tape-like substrates or tools with functional layers coated be¬.
Es bestehen hohe Anforderungen an die Beschichtungsverfahren, insbesondere hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke, der Stabilität der Beschichtungsrate über lange Zeit¬ räume und hinsichtlich der exakten Zusammensetzung des Schichtmaterials. Diese hohen Anforderungen können besonders bei der Beschichtung von großflächigen Substraten nur dadurch erfüllt werden, daß die Parameter des Beschichtungsprozesses konstant gehalten werden. Die Konstanz dieser Parameter setzt voraus, daß die Parameter des Verdampfens bzw. Zerstäubens, insbesondere die Verdampfungsgeschwindigkeit und z.B. der Füllstand eines Verdampfertiegels konstantgehalten werden.There are high demands on the coating processes, in particular with regard to the uniformity of the layer thickness, the stability of the coating rate over long periods of time and with regard to the exact composition of the layer material. These high requirements can only be met, especially when coating large-area substrates, by keeping the parameters of the coating process constant. The constancy of these parameters presupposes that the parameters of evaporation or atomization, in particular the rate of evaporation and e.g. the level of an evaporator crucible can be kept constant.
Es ist bekannt, die Beschichtungsrate an einem oder mehreren Orten in Substratnähe oder den Dampfstrom zwischen der Beschichtungsquelle und dem Substrat zu messen, wobei die Beschichtungsquelle ein Verdampfer bzw. eine Zerstäubungsquelle sein kann. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Bestimmung der Beschichtungsrate, wie z.B. die Schichtdicken¬ messung mittels Schwingquarz oder Mikrowaage in Substratnähe (Kienel, G.: Vakuumbe- schichtung Band 3 - Anlagenautomatisierung, VDI- Verlag, Düsseldorf, 1994, S.25 ff, S.35 ff, S.40 ff). Nach diesen Verfahren zur Schichtdickenmessung wird die Beschichtungsrate ermit- tert. Mit dem gewonnenen Signal wird über einen Regelkreis die Verdampfungsgeschwin¬ digkeit und damit der Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsprozeß geregelt. Der wesentlichste Nachteil dieser Verfahren besteht in der Meßanordnung. Die Sensoren müssen im Dampf¬ raum angeordnet sein und unterliegen damit einer so hohen Dampf- und Wärmebelastung, daß sie nach relativ kurzer Zeit ausgetauscht werden müssen. Dadurch ist eine häufige Pro- zeßunterbrechung nötig und ein Langzeitbetrieb kaum möglich. Aus diesem Grund sind diese Verfahren zur Regelung von Beschichtungsprozessen nur für kleine Beschichtungsraten geeignet. Desweiteren wird nur ein kleiner Teil des Dampfstromes gemessen, von dem aus auf den gesamten Dampfstrom, der das Substrat erreicht, geschlossen wird. Bei großflächi¬ gen Substraten wirkt das besonders nachteilig, da die Sensoren, um das Substrat nicht abzu- schatten, in einem anderen Abstand und Winkel zur Beschichtungsquelle als das Substrat angeordnet sind und deshalb die Dampfstromdichte zum Sensor eine andere Größe hat als die Dampfstromdichte zum Substrat. Dadurch ergeben sich Fehler.It is known to measure the coating rate at one or more locations near the substrate or to measure the steam flow between the coating source and the substrate, it being possible for the coating source to be an evaporator or an atomization source. There are a large number of methods for determining the coating rate, such as, for example, measuring the layer thickness by means of quartz crystal or microbalance in the vicinity of the substrate (Kienel, G .: Vacuum Coating Volume 3 - Plant Automation, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1994, p.25 ff, P.35 ff, p.40 ff). The coating rate is determined using these methods for measuring the layer thickness. With the signal obtained, the evaporation speed and thus the evaporation or atomization process are regulated via a control loop. The main disadvantage of these methods is the measuring arrangement. The sensors must be arranged in the steam chamber and are therefore subject to such a high steam and heat load that they have to be replaced after a relatively short time. This means that frequent process interruptions are necessary and long-term operation is hardly possible. For this reason, these processes for controlling coating processes are only suitable for low coating rates. Furthermore, only a small part of the steam flow is measured, from which the entire steam flow reaching the substrate is deduced. This has a particularly disadvantageous effect on large-area substrates, since the sensors, in order not to shade the substrate, are at a different distance and angle to the coating source than the substrate are arranged and therefore the vapor flow density to the sensor has a different size than the vapor flow density to the substrate. This leads to errors.
Zur Vermeidung dieser Fehler sind andere Verfahren zur Prozeßregelung bekannt, bei denen Meßgrößen verwendet werden, die in einem Zusammenhang zum Dampfstrom zwischen Verdampfer bzw. Zerstäubungsquelle und Substrat stehen. Dazu sind insbesondere die Auswertung der emittierten Plasmastrahlung (DD 239 810 A1), die Bestimmung der Ab¬ sorption von Licht oder Laserstrahlen im Dampf (Gogol, CA., Reagan, S.H., J. Vac. Sei. Tech- nol. A1 (2), Apr/Jun. 1983, S. 252 - 256) oder die elektroneninduzierte Emissionsspektro¬ skopie (Hegner, F.: Anwendung der Elektronen-Emissionsspektroskopie für das ratengeregel- te Aufdampfen von Legierungen, Vak. Techn. 29, 2 (1980), S. 45 - 49) bekannt. Bei diesen Verfahren liegen die beteiligten Sensoren nicht unmittelbar im Dampfstrom, sondern sind seitlich versetzt zum Dampfstrom angeordnet. Der wesentliche Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die Meßgrößen außer vom Dampfstrom auch in starkem Maße von weite¬ ren Beschichtungsparametern, wie z.B. das Beschichtungsmaterial, Ionisierung und Anre- gung des Dampfes, abhängen. Diese Meßanordnungen müssen deshalb für jedes Beschich¬ tungsmaterial neu kalibriert werden, was sehr aufwendig ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Sensoren im Dampfraum angeordnet sein müssen und somit wiederum einer allmähli¬ chen Beschichtung unterliegen. Dadurch sind ebenfalls Prozeßunterbrechungen für den Wechsel der Sensoren erforderlich, was ungünstig für einen Langzeitbetrieb ist.In order to avoid these errors, other process control methods are known in which measured variables are used which are related to the steam flow between the evaporator or atomization source and the substrate. For this purpose, in particular the evaluation of the emitted plasma radiation (DD 239 810 A1), the determination of the absorption of light or laser beams in the vapor (Gogol, CA., Reagan, SH, J. Vac. Sei. Tech. A1. (2 ), Apr / Jun. 1983, pp. 252 - 256) or electron-induced emission spectroscopy (Hegner, F .: application of electron emission spectroscopy for rate-controlled vapor deposition of alloys, Vak. Techn. 29, 2 (1980) , Pp. 45-49). In these methods, the sensors involved are not located directly in the steam flow, but are laterally offset from the steam flow. The main disadvantage of these methods is that, besides the steam flow, the measured variables also depend to a large extent on other coating parameters, such as depend on the coating material, ionization and excitation of the steam. These measuring arrangements must therefore be recalibrated for each coating material, which is very complex. A further disadvantage is that the sensors have to be arranged in the steam space and are therefore in turn subject to a gradual coating. As a result, process interruptions for changing the sensors are also required, which is disadvantageous for long-term operation.
Beim Zerstäuben ist allgemein bekannt, die Zerstäubungsrate durch Regelung der Leistungs¬ zufuhr konstant zu halten. Der Nachteil besteht darin, daß diese Regelung nicht sehr genau ist, da die Zerstäubungsrate außer von elektrischen Parametern, wie z.B. der Spannung, noch von weiteren Parametern, z.B. Erosionstiefe des Targets, abhängt. Insbesondere bei reaktiver Prozeßführung versagt diese Vorgehensweise vollständig.When atomizing, it is generally known to keep the atomization rate constant by regulating the power supply. The disadvantage is that this regulation is not very precise, since the atomization rate apart from electrical parameters, e.g. voltage, other parameters, e.g. Depth of erosion of the target, depends. This approach fails completely, particularly in the case of reactive process control.
Es ist allgemein bekannt, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit bei Verdampfungsprozes¬ sen bisher nur als zeitlicher Mittelwert durch Unterbrechung des Beschichtungsprozesses in größeren zeitlichen Abständen und Wägung des Verdampfungsmaterials vor und nach der Beschichtung bestimmt wird. Dieses Verfahren ist jedoch für den industriellen Einsatz unge¬ eignet, da die Verdampfungsgeschwindigkeit nur über große zeitliche Abstände gemittelt wird und somit für eine ständige Regelung des Beschichtungsprozesses nicht zur Verfügung steht, bzw. der Beschichtungsprozeß für das Wägen ständig unterbrochen werden müßte. Es ist jedoch kein geeignetes Verfahren bekannt, das in der Lage ist, die aktuelle Verdamp- fungsgeschwindigkert bzw. Zerstäubungsrate während des Prozesses auszuwerten. Weiterhin ist ein Verfahren zur Füllstandsüberwachung von Verdampfertiegeln mit Licht¬ oder Laserstrahlen bekannt. Dabei wird ein Lichtstrahl auf der Oberfläche des Beschich- tungsmaterials reflektiert und aus dem Strahlengang auf den Füllstand des Tiegels geschlos¬ sen (DE 38 27 920 A1). Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß durch mögliche Wellenbe- wegungen der Oberfläche des Verdampfungsmaterials der Strahlengang gestört wird. Das Verfahren hat außerdem den Mangel, daß der Strahl, indem er durch die Bereiche höchster Dampfdichte geführt werden muß, einer Streuung und Absorption unterliegt, was zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führt. Aus diesem Grund ist dieses Verfahren nur bedingt geeignet, einen Beschichtungsprozeß so zu regeln, um damit den hohen Anforderungen an die Stabilität der Beschichtungsrate und der exakten Zusammensetzung der aufgedampften Schicht gerecht zu werden.It is generally known that the rate of evaporation in evaporation processes has hitherto only been determined as an average over time by interrupting the coating process at greater intervals and weighing the evaporation material before and after coating. However, this method is unsuitable for industrial use, since the evaporation rate is only averaged over large time intervals and is therefore not available for constant control of the coating process, or the coating process for weighing would have to be interrupted continuously. However, no suitable method is known that is able to evaluate the current evaporation rate or atomization rate during the process. Furthermore, a method for monitoring the fill level of evaporator crucibles with light or laser beams is known. A light beam is reflected on the surface of the coating material and closed from the beam path to the fill level of the crucible (DE 38 27 920 A1). This method has the disadvantage that the beam path is disturbed by possible wave movements of the surface of the evaporation material. The method also has the deficiency that the beam, by having to be guided through the areas of highest vapor density, is subject to scattering and absorption, which leads to a falsification of the measurement result. For this reason, this method is only suitable to a limited extent to regulate a coating process in order to meet the high requirements for the stability of the coating rate and the exact composition of the vapor-deposited layer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, die es gestatten, einen Vakuumbeschichtungsprozeß an eine vorgegebene Beschichtungs- technologie anzupassen, indem der Beschichtungsprozeß, insbesondere das Verdampfen mittels Elektronenstrahlen, überwacht und seine Parameter so beeinflußt werden, daß ein¬ zelne, platten- oder bandförmige Substrate reaktiv oder nichtreaktiv mit hoher Schichtquali¬ tät bedampft werden, wobei insbesondere bei großflächigen Substraten gleichmäßige Schichtdicken mit einer vorgegebenen Schichtzusammensetzung erzielt werden. Das Verfah- ren soll aber auch für Zerstäubungsprozesse, insbesondere für Langzeitprozesse, geeignet sein.The invention has for its object to provide a method and a device which allow a vacuum coating process to be adapted to a given coating technology by monitoring the coating process, in particular evaporation by means of electron beams, and influencing its parameters in such a way that a individual, plate-shaped or ribbon-shaped substrates are reactively or non-reactively vapor-deposited with high layer quality, with uniform layer thicknesses being achieved with a predetermined layer composition, in particular in the case of large-area substrates. However, the process should also be suitable for atomization processes, in particular for long-term processes.
Die Zerstäubungsquellen sollen in beliebiger Lage anzuordnen sein. Der Beschichtungspro¬ zeß soll über einen langen Zeitraum einfach und zuverlässig durchführbar sein. Die Einrich¬ tung soll apparativ einfach ausgeführt sein.The atomization sources should be arranged in any position. The coating process should be simple and reliable to carry out over a long period of time. The device should be simple in terms of apparatus.
Die Aufgabe wird nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben. Die Einrichtung zur Durchfüh¬ rung des Verfahrens ist in den Ansprüchen 9 bis 1 1 beschrieben.The object is achieved according to the features of patent claim 1. Further advantageous embodiments are described in claims 2 to 8. The device for carrying out the method is described in claims 9 to 11.
Gegenüber den bekannten Verfahren zur Bestimmung der Beschichtungsrate durch Wägung wurde es gefunden, die Verwendung der Gewichtskraft während des Beschichtungsprozes¬ ses zu messen und diesen Wert als Signal weiter zu verarbeiten. Das erfolgt dadurch, daß dieses gewonnene Meßsignal über die Zeit differenziert wird. Mit diesem differenzierten Signal und dem Meßsignal ist es möglich, über einen an sich bekannten Regelkreis Parame- ter des Verdampfungs- bzw. des Zerstäubungsprozesses, insbesondere der nominellen Ver¬ dampfungsgeschwindigkeit bzw. Zerstäubungsrate, zu beeinflussen. Das ermittelte differenzierte Signal ist dabei ein direktes Maß für die effektive Verdamp¬ fungsgeschwindigkeit bzw. Zerstäubungsrate. Es gibt die Differenz zwischen der nominellen Verdampfungsgeschwindigkeit bzw. Zerstäubungsrate und der Kondensationsgeschwindig¬ keit von Dampf oder Gasteilchen auf das Beschichtungsmaterial an.In contrast to the known methods for determining the coating rate by weighing, it was found to measure the use of the weight during the coating process and to process this value further as a signal. This is done by differentiating the measurement signal obtained over time. With this differentiated signal and the measurement signal, it is possible to use a control circuit known per se. ter of the evaporation or atomization process, in particular the nominal evaporation rate or atomization rate. The differentiated signal determined is a direct measure of the effective evaporation rate or atomization rate. There is the difference between the nominal rate of evaporation or atomization rate and the rate of condensation of steam or gas particles on the coating material.
Der wesentlichste Vorteil ist, daß bei diesem Verfahren aus dem Verbrauch von Beschich¬ tungsmaterial ein Signal ermittelt wird, um Parameter des Verdampfens bzw. des Zerstäu- bens so zu regeln, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit bzw. die Zerstäubungsrate kon¬ stant bleibt oder während des Beschichtungsprozesses entsprechend der Beschichtungstech- nologie gezielt verändert wird. Damit wird in direkter Weise der Beschichtungsprozeß gere¬ gelt, da die Eigenschaften der aufgebrachten Schichten im wesentlichen durch das Verdamp¬ fen bzw. Zerstäuben bestimmt werden. Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Gewichtskraft meßtechnisch einfach und kontinu¬ ierlich ohne Unterbrechung des Beschichtungsprozesses gemessen werden kann, wodurch sich über das gewonnene Signal dieser auch kontinuierlich regeln läßt. Desweiteren wird über dieses Signal der gesamte Strom von Beschichtungsmaterial und nicht nur ein Teilbe¬ reich zur Charakterisierung gemessen. Die Beschichtungsquelle ist mittels Kraftzellen in der Vakuumkammer befestigt. Die Kraft¬ meßzellen sind z.B. elastische Elemente mit aufgebrachten Dehnmeßstreifen. Alle Versor¬ gungsleitungen werden so angeschlossen, daß sie das Meßergebnis nicht beeinflussen, bzw. die dadurch entstehenden Fehler vernachlässigbar klein sind. Die Lage der Zerstäubungsquelle in der Vakuumkammer ist ohne Einfluß auf das Verfahren. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Kraftmeßzellen an einer dampfabgewandten Seite angeord¬ net sind. Dadurch wird ihre Funktion vom Beschichtungsprozeß nicht beeinflußt und es wird eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet, so daß das Verfahren auch im Langzeitbetrieb ein¬ fach und betriebssicher durchzuführen ist.The most important advantage is that in this method a signal is determined from the consumption of coating material in order to regulate parameters of the evaporation or atomization in such a way that the evaporation rate or the atomization rate remains constant or during the coating process is specifically changed in accordance with the coating technology. The coating process is thus regulated in a direct manner, since the properties of the applied layers are essentially determined by evaporation or atomization. Further advantages are that the weight can be measured simply and continuously without interrupting the coating process, which means that the signal obtained can also be used to continuously control it. Furthermore, the entire flow of coating material and not just a partial area for characterization is measured via this signal. The coating source is fixed in the vacuum chamber by means of force cells. The load cells are e.g. elastic elements with applied strain gauges. All supply lines are connected in such a way that they do not influence the measurement result, or the errors that arise as a result are negligible. The location of the atomization source in the vacuum chamber has no effect on the process. Another advantage is that the load cells are arranged on a side facing away from the steam. As a result, their function is not influenced by the coating process and a high level of reliability is ensured, so that the method can be carried out easily and reliably even in long-term operation.
Bei reaktiven Beschichtungsprozessen werden die Oberflächen des Beschichtungsmaterials gegebenenfalls kontaminiert, was infolgedessen zu einer Veränderung der Verdampfungs¬ geschwindigkeit bzw. Zerstäubungsrate und zu einer Veränderung der Zusammensetzung des Schichtmaterials führt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch der Durchfluß des Reaktivgases in die Vakuumkammer regelbar, so daß mit dem aus der Gewichtskraft gewonnenen und differenzierten Signal der Gaseinlaß so geregelt wird, daß sich das diffe¬ renzierte Signal auf einen vorgegebenen Sollwert einstellt.In reactive coating processes, the surfaces of the coating material may be contaminated, which consequently leads to a change in the rate of evaporation or atomization and to a change in the composition of the layer material. According to the method of the invention, the flow of the reactive gas into the vacuum chamber can also be controlled, so that with the weight obtained and differentiated signal of the gas inlet is controlled so that the differentiated signal adjusts to a predetermined setpoint.
Die Regelung eines Beschichtungsprozesses wird wie folgt durchgeführt. Die Gewichtskraft des Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsmaterials wird zusammen mit der Gewichtskraft des Verdampfers bzw. der Zerstäubungsquelle während des Verdampfungs- bzw. Zerstäubungs¬ prozesses mittels einer oder mehrerer Kraftmeßzellen kontinuierlich gemessen. Die Ge¬ wichtskraft wird von den Kraftmeßzellen in ein elektrisches analoges oder digitales Signal umgesetzt. Dieses Signal der Kraftmeßzellen wird in bekannter Weise zunächst einer Filte- rung unterzogen. Diese Filterung kann analog mit einem elektronischen Tiefpaß oder durch Digitalfilter erfolgen. Anschließend wird das gefilterte Signal über die Zeit differenziert. Diese Differentialbildung erfolgt auf analogem oder digitalem Weg. Das gefilterte Signal der Ge¬ wichtskraft und das differenzierte Signal als Maß für die Verdampfungsgeschwindigkeit bzw. Zerstäubungsrate werden als Meßgrößen einem bekannten Regelkreis zugeführt, der auf die das Verdampfen bzw. Zerstäuben bestimmenden Parameter einwirkt.The regulation of a coating process is carried out as follows. The weight of the evaporation or sputtering material is measured together with the weight of the evaporator or the sputtering source during the evaporation or sputtering process ¬ by one or more load cells continuously. The weight is converted by the load cells into an electrical analog or digital signal. This signal from the load cells is first subjected to filtering in a known manner. This filtering can be carried out analogously with an electronic low-pass filter or through digital filters. The filtered signal is then differentiated over time. This differential formation takes place in an analog or digital way. The filtered signal of the weight and the differentiated signal as a measure of the rate of evaporation or atomization rate are supplied as measured variables to a known control circuit which acts on the parameters determining the evaporation or atomization.
Nach diesem Verfahren lassen sich eine Vielzahl von Parametern regeln, um das Verdampfen bzw. Zerstäuben zu kontrollieren und damit in direkter Weise Einfluß auf den Beschich¬ tungsprozeß zu nehmen.A large number of parameters can be controlled by this method in order to control the evaporation or atomization and thus have a direct influence on the coating process.
So ist es möglich, mit einem an sich bekannten Regelkreis, mit der Gewichtskraft als Me߬ größe, die elektrische Leistung zum Heizen des Beschichtungsmaterials bzw. die Zeit der Zu¬ fuhr der elektrischen Leistung zu regeln, da sich diese elektrische Leistung unmittelbar auf die Verdampfungsgeschwindigkeit bzw. Zerstäubungsrate auswirkt und somit den Beschich- tungsprozeß bestimmt.It is thus possible to regulate the electrical power for heating the coating material or the time of supply of the electrical power using a control circuit known per se, using the weight as a measured variable, since this electrical power directly affects the rate of evaporation or atomization rate and thus determines the coating process.
Es ist vorteilhaft, bei Verdampfungsprozessen, bei denen die Energiezufuhr lokal erfolgt und örtlich bzw. zeitlich gesteuert wird, wie z.B. beim Elektronenstrahlverdampfen mit Strahlablenkung, das aus der Gewichtskraft gewonnene Meßsignal vorteilhaft zur Beeinflus- sung dieser Ablenkparameter und/oder der Strahlfokussierung zu nutzen.It is advantageous in the case of evaporation processes in which the energy supply takes place locally and is controlled locally or in time, e.g. in electron beam evaporation with beam deflection, the measurement signal obtained from the weight can advantageously be used to influence these deflection parameters and / or to focus the beam.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Regelung von Beschichtungspro¬ zessen besteht darin, bei Verdampfertiegeln mit kontinuierlich arbeitenden Nachfülleinrich¬ tungen für das Verdampfungsmaterial das nicht differenzierte Signal zu nutzen, um die Nachfüllmenge so zu regeln, daß die Menge des Verdampfungsmaterials oder die Füllhöhe im Verdampfertiegel konstant bleibt. Dadurch wird eine Langzeitstabilität der Verdamp¬ fungsrate erreicht, da diese auch von der Füllhöhe abhängt.A further advantageous embodiment of the method for controlling coating processes consists in using the undifferentiated signal in the case of evaporator crucibles with continuously working refill devices for the evaporation material in order to regulate the refill quantity in such a way that the quantity of the evaporation material or the fill level remains constant in the evaporator crucible. Long-term stability of the evaporation rate is thereby achieved, since this also depends on the filling level.
Bei Verdampfertiegeln ohne Nachfülleinrichtungen, bzw. Zerstäubungsquellen kann aus dem Meßsignal der Verbrauch von Beschichtungsmaterial oder die momentane Füllhöhe des Ver¬ dampfertiegels bzw. die Erosionstiefe des Targets der Zerstäubungsquelle ermittelt werden. Mit diesem gewonnenen Signal wird der Beschichtungsprozeß geregelt, indem zum einen die Strahlfokussierung und/oder die Ablenkparameter beim Verdampfen bzw. ein das Target durchdringendes Magnetfeld beim Zerstäuben geregelt werden, um eine Veränderung der Beschichtungsrate zu vermeiden. Dadurch wird auch der Zeitpunkt und die Menge für das Nachfüllen von Verdampfungsmaterial bzw. der Wechsel des Targets bestimmt.In the case of evaporator crucibles without refill devices or atomization sources, the consumption of coating material or the instantaneous filling level of the evaporator crucible or the depth of erosion of the target of the atomization source can be determined from the measurement signal. With this signal obtained, the coating process is regulated by regulating the beam focusing and / or the deflection parameters during evaporation or a magnetic field penetrating the target during atomization in order to avoid a change in the coating rate. This also determines the time and the amount for refilling the evaporation material or the change of the target.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat den Vorteil, daß auch bereits vorhan¬ dene Einrichtungen ohne großen Aufwand nachgerüstet werden können, indem die Be- schichtungsquellen nicht mehr direkt mit der Vakuumkammer verbunden sind, sondern Kraftmeßzellen zwischen Beschichtungsquelle und Vakuumkammer angeordnet sind. Des¬ werteren ist ein herkömmlicher Regelkreis notwendig, der im einfachsten Fall aus einem Fil¬ ter, einem Differenzierglied und einem Regler besteht, mit dem das Meßsignal verarbeitet wird, um die entsprechenden Parameter des Beschichtungsprozesses zu regeln.The device for carrying out the method has the advantage that existing devices can also be retrofitted without great effort, since the coating sources are no longer directly connected to the vacuum chamber, but instead force measuring cells are arranged between the coating source and the vacuum chamber. Furthermore, a conventional control circuit is necessary, which in the simplest case consists of a filter, a differentiating element and a controller with which the measurement signal is processed in order to regulate the corresponding parameters of the coating process.
An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Zeich¬ nungen zeigen:The invention is explained in more detail using two exemplary embodiments. The associated drawings show:
Fig. 1 : einen Schnitt durch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Elek- tronenkanone und einem Verdampfertiegel,1: a section through a device for carrying out the method with an electron gun and an evaporator crucible,
Fig. 2: einen Schnitt durch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Ma¬ gnetron-Zerstäubungsquelle,2 shows a section through a device for carrying out the method with a magnetron sputtering source,
In Fig. 1 ist an einer Seite einer Vakuumkammer 1 eine Elektronenkanone 2 vom Axialtyp angeordnet, deren Elektronenstrahl 3 einen mit Titan gefüllten Verdampfertiegel 4 pro¬ grammiert beaufschlagt. Der Verdampfertiegel 4 ist mittels Kraftmeßzellen 5, bestehend aus elastischen Elementen mit aufgebrachten Dehnmeßstreifen, in der Vakuumkammer 1 befe¬ stigt. Über dem Verdampfertiegel 4 ist ein zu beschichtendes Substrat 6 angeordnet. Das den Kraftmeßzellen 5 nachgeschaltete Filter 7 bereitet die Signale der mit den Kraftmeßzel- len 5 gemessenen Kräften auf. Die Ausgangssignale des Filters 7 werden einem Differen- zierglied 8 zugeführt. Die Ausgangssignale des Filters 7 und des Differenziergliedes 8 werden anschließend einem Regler 9 zugeführt. Dieser verarbeitet die Signale und vergleicht sie mit vorgegebenen Sollwerten.In FIG. 1, an electron gun 2 of the axial type is arranged on one side of a vacuum chamber 1, the electron beam 3 of which is applied to a titanium-filled evaporator crucible 4. The evaporator crucible 4 is fastened in the vacuum chamber 1 by means of load cells 5, consisting of elastic elements with applied strain gauges. A substrate 6 to be coated is arranged above the evaporator crucible 4. The filter 7 connected downstream of the load cells 5 prepares the signals of the forces measured with the load cells 5. The output signals of the filter 7 are a difference ornamental element 8 supplied. The output signals of the filter 7 and the differentiator 8 are then fed to a controller 9. This processes the signals and compares them with specified target values.
Bei einer Abweichung des Ausgangssignals des Differenzierglieds 8 von einem Sollwert für die Verdampfungsgeschwindigkeit wird der Sollwert für den Leistungsregler 10 der Elektro¬ nenkanone 2 nachgeführt. Zusätzlich werden vom Regler 9 die Sollparameter für die Ab¬ lenksteuerung 11 verändert werden.If the output signal of the differentiating element 8 deviates from a desired value for the evaporation rate, the desired value for the power controller 10 of the electron gun 2 is tracked. In addition, the setpoint parameters for the deflection control 11 are changed by the controller 9.
In der Vakuumkammer 1 befindet sich zusätzlich eine Nachfülleinrichtung 12, mit der dem Verdampfertiegel 4 kontinuierlich Verdampfungsmaterial zugeführt wird. Diese Nachfüllein- richtung 12 wird vom Regler 9 so gesteuert, daß das Ausgangssignal des Filters 7 konstant bleibt.In the vacuum chamber 1 there is also a refill device 12 with which evaporation material is continuously fed to the evaporator crucible 4. This refill device 12 is controlled by the controller 9 so that the output signal of the filter 7 remains constant.
In Fig. 2 sind innerhalb einer Vakuumkammer 1 zwei Magnetrons 13 mit einem Titantarget und verstellbarer Magnetvorrichtung angeordnet. Die Magnetrons 13 ist mittels Kraftmeßzel- len 5, bestehend aus elastischen Elementen mit aufgebrachten Dehnmeßstreifen, in der Va¬ kuumkammer 1 befestigt. Über dem Magnetron 4 ist das zu beschichtende Substrat 6 ange¬ ordnet. Die den Kraftmeßzellen 5 nachgeschalteten Filter 7 bereiten die Signale der mit den Kraftmeßzellen 5 gemessenen Kräften auf. Die Ausgangssignale der Filter 7 werden einem Differenzierglied 8 zugeführt. Die Ausgangssignale der Filter 7 und des Differenziergliedes 8 werden anschließend einem Regler 9 zugeführt. Dieser verarbeitet die Signale und vergleicht sie mit vorgegebenen Sollwerten. Bei einer Abweichung des Ausgangssignals des Differen¬ zierglieds 8 von einem Sollwert für die Zerstäubungsrate wird der Sollwert für die verstellbare Magneteinrichtung der Magnetrons 13 so nachgeführt, daß das Ausgangssignal des Diffe¬ renziergliedes 8 konstant bleibt. In FIG. 2, two magnetrons 13 with a titanium target and adjustable magnetic device are arranged within a vacuum chamber 1. The magnetrons 13 are fastened in the vacuum chamber 1 by means of force measuring cells 5, consisting of elastic elements with applied strain gauges. The substrate 6 to be coated is arranged above the magnetron 4. The filters 7 connected downstream of the load cells 5 process the signals of the forces measured with the load cells 5. The output signals of the filters 7 are fed to a differentiator 8. The output signals of the filter 7 and the differentiator 8 are then fed to a controller 9. This processes the signals and compares them with specified target values. If the output signal of the differentiating element 8 deviates from a desired value for the atomization rate, the desired value for the adjustable magnetic device of the magnetrons 13 is adjusted so that the output signal of the differentiating element 8 remains constant.

Claims

PatentansprücheClaims
1 Verfahren zur Regelung eines Vakuumbeschichtungsprozesses, mit dem Substrate aus mindestens einer Beschichtungsquelle, die ein elektronenstrahlbeaufschlagter Ver- dampfer oder eine Zerstäubungsquelle ist, wobei die Zerstäubungsquelle in beliebiger1 Method for controlling a vacuum coating process, using the substrates from at least one coating source, which is an electron beam-operated evaporator or a sputtering source, the sputtering source being arbitrary
Lage in einer Vakuumkammer angeordnet ist, beschichtet werden, und mindestens ein Prozeßparameter über mindestens einen Regelkreis den Beschichtungsbedingungen angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtskraft der Beschichtungs¬ quelle, die sich aus der Gewichtkraft des Beschichtungsmaterials und der Beschich- tungsquelle zusammensetzt, gemessen wird, und aus dieser Meßgröße mindestens einLayer is arranged in a vacuum chamber, are coated, and at least one process parameter is adapted to the coating conditions via at least one control loop, characterized in that the weight of the coating source, which is composed of the weight of the coating material and the coating source, is measured , and at least one from this measured variable
Signal gewonnen wird, welches als Regelgröße dem Regelkreis zugeführt wird, der die Prozeßparameter regelt.Signal is obtained, which is fed as a control variable to the control loop that controls the process parameters.
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß aus der Meßgröße ein Signal durch Filtern und ein Signal durch Filtern mit anschließendem Differenzieren gewonnen wird, und daß beide Signale einem Regler des Regelkreises zugeführt wer¬ den.2 The method according to claim 1, characterized in that a signal is obtained by filtering and a signal by filtering with subsequent differentiation from the measured variable, and that both signals are fed to a controller of the control loop.
3 Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beschich- tungsprozessen, bei denen ein Gas in die Vakuumkammer eingelassen wird, mit dem aus der Gewichtskraft gewonnenen und differenzierten Signal der Gaseinlaß so gere¬ gelt wird, daß das differenzierte Signal konstant gehalten wird.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that in coating processes in which a gas is admitted into the vacuum chamber, the gas inlet is regulated with the weighted and differentiated signal of the gas inlet so that the differentiated signal is kept constant becomes.
4 Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem aus der Gewichtskraft gewonnenen und differenzierten Signal die Energiezufuhr zur Beschich¬ tungsquelle so geregelt wird, daß das differenzierte Signal konstantgehalten wird.4 The method according to claim 1 to 3, characterized in that the energy supply to the coating source is regulated with the differentiated signal obtained from the weight and so that the differentiated signal is kept constant.
5 Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Beschichten von mittels Elektronenstrahlen geheizten Verdampfern mit dem aus der Gewichtskraft gewonnenen und differenzierten Signal die örtliche und/oder zeitliche Verteilung der5 The method according to claim 1 to 4, characterized in that when coating evaporators heated by means of electron beams with the differentiated signal obtained from the weight and the local and / or temporal distribution of the
Leistungsdichte auf dem Verdampfungsgut so geregelt wird, daß das differenzierte Si¬ gnal konstantgehalten wird.Power density on the material to be evaporated is controlled so that the differentiated signal is kept constant.
6 Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwen- düng von Verdampfern mit Nachfülleinrichtungen für Verdampfungsmaterial mit dem aus der Gewichtskraft gewonnenen Meßsignal die Nachfüllmenge so geregelt wird, daß das gefilterte Signal konstantgehalten wird.6 The method according to claim 1 to 5, characterized in that when using evaporators with refill devices for evaporation material with the the refill quantity is controlled from the weight force obtained so that the filtered signal is kept constant.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Beschichten mit einer Magnetron-Zerstäubungsquelle mit dem aus der Gewichtskraft gewonnenen und differenzierten Signal ein das Target durchdringendes Magnetfeld so geregelt wird, daß das differenzierte Signal konstantgehalten wird.Method according to Claims 1 to 4, characterized in that when coating with a magnetron sputtering source, a magnetic field penetrating the target is controlled with the differentiated signal obtained from the weight force so that the differentiated signal is kept constant.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Vakuumkammer, in der mindestens ein Verdampfer angeordnet ist, mindestens einemDevice for performing the method according to claim 1, consisting of a vacuum chamber in which at least one evaporator is arranged, at least one
Elektronenstrahlerzeuger, einem Gaseinlaß und einem Regelkreis zur Regelung der Prozeßparameter, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) mit mindestens einer Kraftmeßzelle (5) in der Vakuumkammer (1) befestigt und die Kraftmeßzelle (5) mit dem Regelkreis elektrisch verbunden ist.Electron beam generator, a gas inlet and a control circuit for controlling the process parameters, characterized in that the evaporator (4) is fixed in the vacuum chamber (1) with at least one load cell (5) and the load cell (5) is electrically connected to the control circuit.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Vakuumkammer, in der mindestens eine Zerstäubungsquelle in beliebiger Lage ange¬ ordnet ist, einem Gaseinlaß und einem Regelkreis zur Regelung der Prozeßparameter, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsquelle (13) mit mindestens einer Kraftmeßzelle (5) in der Vakuumkammer (1 ) befestigt und die Kraftmeßzelle (5) mit dem Regelkreis elektrisch verbunden ist.Device for carrying out the method according to claim 1, consisting of a vacuum chamber in which at least one atomization source is arranged in any position, a gas inlet and a control circuit for regulating the process parameters, characterized in that the atomization source (13) with at least one force measuring cell (5) in the vacuum chamber (1) and the load cell (5) is electrically connected to the control circuit.
Einrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßzel- le (5) ein elastisches Element mit aufgebrachtem Dehnmeßstreifen ist.Device according to claims 8 and 9, characterized in that the force measuring cell (5) is an elastic element with an applied strain gauge.
Einrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis aus einem Filter (7), einem Differenziergiied (8) und einem Regler (9) besteht. Device according to claims 8 and 9, characterized in that the control circuit consists of a filter (7), a differentiating element (8) and a controller (9).
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