WO1997030186A1 - Method and device for control of plasma enhanced vacuum coating processes - Google Patents

Method and device for control of plasma enhanced vacuum coating processes Download PDF

Info

Publication number
WO1997030186A1
WO1997030186A1 PCT/DE1997/000265 DE9700265W WO9730186A1 WO 1997030186 A1 WO1997030186 A1 WO 1997030186A1 DE 9700265 W DE9700265 W DE 9700265W WO 9730186 A1 WO9730186 A1 WO 9730186A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrical discharge
force
coating
plasma
cathode
Prior art date
Application number
PCT/DE1997/000265
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bert Scheffel
Klaus Goedicke
Christoph Metzner
Volker Kirchhoff
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO1997030186A1 publication Critical patent/WO1997030186A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917Plasma diagnostics
    • H01J37/32935Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/542Controlling the film thickness or evaporation rate
    • C23C14/543Controlling the film thickness or evaporation rate using measurement on the vapor source
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/304Controlling tubes by information coming from the objects or from the beam, e.g. correction signals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917Plasma diagnostics
    • H01J37/3299Feedback systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405Magnetron sputtering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/31Processing objects on a macro-scale
    • H01J2237/3132Evaporating
    • H01J2237/3137Plasma-assisted co-operation

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling plasma-assisted vacuum coating processes by atomizing or evaporating
  • Coating material in which an electrical discharge for generating a plasma is maintained and in which the cathode of the electrical discharge is used as the coating source and a device for carrying out the method.
  • a large number of vacuum coating processes are known in which plasmas generated by electrical discharges are used.
  • Cathode sputtering processes are vacuum coating processes in which a glow discharge or magnetron discharge is ignited and material is atomized from the cathode by the bombardment of ions from the plasma onto the cathode.
  • plasmas are used in vacuum coating processes to ionize and excite the steam generated by other processes.
  • These vacuum coating processes include in particular the processes of plasma-activated evaporation.
  • the properties of the deposited layers depend to a large extent on the state of the plasma generated by the electrical discharge. For example, plasmas with a high charge density result in a high proportion of the vapor being ionized or excited. This results in a flow of high-energy particles to the substrate, which leads to the required layer properties, in particular to very dense layers.
  • the use of plasmas in reactive vacuum coating processes increases the reactivity between vapor particles and reactive gas particles considerably. This leads to a change in the vapor density distribution in the space between the location of the vapor generation and the location of the vapor separation. This leads to a change in the layer thickness profile on the substrate.
  • the plasma parameters eg ion density, energy of the ions, electron density, with their influences on the layer formation monitor and keep constant via control processes or change them according to a coating technology.
  • the floating potential of an electrically insulated, conductive substrate is determined by voltage measurement, or the current to the substrate is evaluated after application of a voltage to the substrate (Schade, K. et al .; plasma technology: application in electronics, Verlagtechnik Berlin, 1990, p 96ff).
  • These methods have the disadvantage that they cannot be used with electrically insulating substrates or electrically insulating layers, since no voltage can be measured with electrically insulating substrates or layers.
  • a method with probe measurement is also known in which a small electrical probe of defined geometry is arranged in the plasma (Janzen, G .; Plasma Technology - Fundamentals, Applications, Diagnostics, Heidelberg: Weg, 1992, pp. 255ff). The current-voltage characteristic is evaluated and the plasma parameters are calculated. It is disadvantageous that the probe in the plasma is subject to a high vapor and temperature load, that the measurement results are falsified and that, in particular in coating processes with a high coating rate, only a short operating time of the probes is achieved.
  • a method is also known in which the emission of the plasma, in particular a defined line of the plasma emission, is used to characterize the electrical discharge and to regulate the plasma-assisted vacuum coating process (DD 239 810 A1).
  • a light guide cable is guided in the vicinity of the plasma and largely protected from coating with a collimator.
  • the light is fed through a filter to an amplifier, for example a secondary electron multiplier, which drives a control loop.
  • an amplifier for example a secondary electron multiplier
  • Vacuum coating process are often calibrated, so that the implementation of this method is very expensive.
  • the invention has for its object to provide a method and a device for controlling plasma-assisted vacuum coating processes by atomizing or evaporating the coating material with direct current plasma or pulsed plasma in order to produce layers with defined layer properties.
  • the method is intended to enable the regulation of the proportion of ions in the vapor space of the plasma-assisted vacuum coating process. It should be independent of the electrical conductivity of the layers and / or the substrates produced and in a simple manner be feasible over long periods of time.
  • the device should be simple in terms of equipment.
  • the object is achieved according to the features of patent claim 1. Further advantageous embodiments are described in claims 2 to 6.
  • the device for performing the method is described in claims 7 and 8.
  • the essence of the invention is that a method has been found to use the known force of ions of a plasma during ion bombardment on a cathode to utilize a signal to be obtained therefrom for process control. This knowledge makes it possible to record the force of the ions of the plasma during ion bombardment on the coating source and to process it further as a signal.
  • the coating source is an atomization source, preferably of the magnetron type, or an evaporator, preferably an evaporator heated by an electron beam.
  • This force of the ions results from the potential difference between the cathode surface and the plasma, through which the ions receive a correspondingly high energy, which is expressed in a high ion pulse depending on the ion mass.
  • this force on the cathode is determined by the number of ions accelerated to the cathode per unit of time.
  • An advantage of the invention is that by determining this force acting on the cathode, a measured variable is determined from which a signal is obtained with which it is possible to use a control circuit known per se to determine the effect of the electrical discharge on the flow of particles to To regulate the substrate in a defined manner and thus to influence the properties of the layer applied to the substrate. Further advantages of the invention are that by averaging the signal, plasma-assisted vacuum coating processes with pulsed plasmas with any pulse shape of the electrical parameters are controlled in such a way that coated substrates with the required layer properties can be produced.
  • this process can separate the effect of the discharge for each individual cathode and use the signals from the individual cathodes to regulate the entire vacuum coating process, for example by superimposing a direct voltage on the electrical discharge on average is equally distributed over the two cathodes.
  • This is particularly advantageous if the individual cathodes have different properties - for example different magnetizations or different sizes - have, and thereby, for example, an AC voltage deviates from the sinusoidal shape or is distributed unevenly.
  • each cathode with load cells as sensors is arranged in the vacuum chamber.
  • the load cells are preferably elastic elements with applied strain gauges. All supply lines are connected in such a way that no force bypass occurs or the resulting errors are negligible. If the cathode surface is arranged vertically during sputtering, ie if the preferred direction of ion bombardment on the cathode is horizontal, the force of the electrical discharge on the cathode is measured directly in the horizontal direction.
  • this force is superimposed on the weight of the cathode and during evaporation, for example electron beam evaporation, the recoil force of the vaporized particles.
  • the weight of the cathode changes over time due to atomization or evaporation. Consequently, the weight force must be separated from the force of the electrical discharge by measurement.
  • the recoil force is usually negligible, or it is separated from the force of the electrical discharge together with the weight.
  • This metrological separation is achieved according to the invention in that a parameter which determines the force of the electrical discharge which the ions exert on the cathode is changed in size so quickly that the rate of change of the force of the electrical discharge is large compared to the rate of change of the Weight of the cathode.
  • This can be done, for example, by briefly switching the electrical discharge off and on again, or by briefly changing the electrical parameters of the electrical discharge (eg current, electrical power).
  • the change in force of the total force during the switch-on or switch-off phase or change phase is then a measure of the force of the electrical discharge on the cathode.
  • 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 loop is necessary, which in the simplest case consists of a filter and a controller with which the signal is processed and the corresponding parameters for controlling the vacuum coating process are controlled.
  • Magnetron sputtering sources Figure 2 a section through a device for performing the method with an electron beam evaporator
  • Fig. 3 a diagram of the force, the current of the electrical discharge and the
  • two magnetron sputtering sources 2 are arranged vertically on the side walls of a vacuum chamber 1 by means of two load cells 3, which are elastic elements with applied strain gauges.
  • a substrate 4 to be coated on both sides is arranged between the two magnetrons 2.
  • the magnetrons 2 are connected to the outputs of an AC voltage source 5 and are thereby alternately connected as a cathode or anode of the electrical discharge with a frequency of 50 kHz and a peak voltage Us.
  • a DC voltage source 6 is connected to the magnetrons 2 in such a way that the AC voltage is superimposed on the DC voltage in such a way that the mean value over a period of the AC voltage can be shifted to values from -V 2 Us to + V 2 Us. If the electrical discharge burns between the magnetrons 2, they are switched on
  • Magnetrons 2 horizontally acting forces measured with the load cells 3.
  • the signals obtained in this way are fed to a known control circuit in that the signals are each smoothed by a filter 7.
  • the output signals of the filters 7 are then fed to a subtraction element 8, in which the two smoothed signals are subtracted from one another.
  • the output signal of the subtractor 8, the Differential signal is fed to a controller 9. This influences the superimposed DC voltage until the deviation of the difference signal from zero becomes minimal.
  • an electron gun 10 of the axial type is arranged on one side of a vacuum chamber 1, the electron beam 11 of which acts on an evaporator 12 filled with titanium.
  • the evaporator 12 is fastened horizontally in the vacuum chamber 1 by means of load cells 3, consisting of elastic elements with applied strain gauges.
  • a substrate 13 to be coated is arranged above the evaporator 12.
  • the outputs of a direct current source 14 for arc power supply to maintain the electrical discharge are connected to the vacuum chamber 1 and the evaporator 12, which is connected as a cathode, in such a way that the electrical discharge burns.
  • the electron gun 10 operates at a constant voltage and variable power. First, a certain power of the electron gun 10 and a fixed value of the current lar C of the electrical discharge are set so that sufficient titanium evaporates.
  • the control procedure using force measurement is carried out cyclically in the phases of changing the substrate.
  • the electron beam power Pe b the current intensity of the electrical discharge l arc and the force F as the sum of the signals from the load cell 3 are shown as a function over time t. Evaporation takes place with the electron beam power P, *,.
  • the force F- is measured, which is composed of the force of the electrical discharge, the recoil force of the evaporating titanium and the weight of the molten titanium and the evaporator 12.
  • the force F 2 is measured at time t 2 (t 2 > t ⁇ ).
  • the signals determined before and after the process of reducing the current intensity I arc from the measured forces are smoothed by a filter 7.
  • the output signals of the filter 7 are then fed to a controller 9.
  • the force of the electrical discharge is determined in the controller 9 from the difference between the forces Fi and F 2 measured at the times t 2 and t 2 .
  • the controller 9 compares this determined force with predetermined target values.
  • the force of the electric discharge from the difference between the time t 3 and t 4 measured forces F 3 and F 4 is determined for control purposes.
  • Electron gun 10 changed so that the deviation of the force of the electrical discharge from the predetermined target value is minimal.

Abstract

In the known methods for controlling 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 the force of the electrical discharge as a measurable variable, the plasma enhanced vacuum coating process is controlled by measuring the force of the electrical discharge on the coating source. The coating source is arranged in the vacuum chamber with the aid of force transducers (3), and the signal emanating from the force transducers can be used to control, for example, the electrical energy to heat the vaporizing material, the beam deflection or the distribution of the electrical discharge to several coating sources, without the sensors coming in contact with the plasma or the vapor. Plasma enhanced 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 von plasmagestützten VakuumbeschichtungsprozessenProcess and device for controlling plasma-assisted vacuum coating processes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozessen durch Zerstäuben oder Verdampfen vonThe invention relates to a method for controlling plasma-assisted vacuum coating processes by atomizing or evaporating
Beschichtungsmaterial, bei denen eine elektrische Entladung zur Erzeugung eines Plasmas aufrechterhalten wird und bei denen die Katode der elektrischen Entladung als Beschichtungsquelle verwendet wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Nach dem Verfahren werden insbesondere Bauteile und Werkzeuge sowie Substrate, z.B. Spiegel und Glasscheiben, mit Funktionsschichten bedampft.Coating material in which an electrical discharge for generating a plasma is maintained and in which the cathode of the electrical discharge is used as the coating source, and a device for carrying out the method. In particular, components and tools as well as substrates, e.g. Mirrors and glass panes, coated with functional layers.
Es sind eine Vielzahl von Vakuumbeschichtungsprozessen bekannt, bei denen durch elektrische Entladungen erzeugte Plasmen zur Anwendung kommen. So sind Katodenzerstäubungsprozesse Vakuumbeschichtungsprozesse, bei denen eine Glimmentladung oder Magnetronentladung gezündet und durch das Bombardement von Ionen aus dem Plasma auf die Katode Material von der Katode zerstäubt wird. Desweiteren werden bei Vakuumbeschichtungsprozessen Plasmen zur Ionisierung und Anregung des durch andere Prozesse erzeugten Dampfes genutzt. Zu diesen Vakuumbeschichtungsprozessen zählen insbesondere die Prozesse der plasmaaktivierten Verdampfung.A large number of vacuum coating processes are known in which plasmas generated by electrical discharges are used. Cathode sputtering processes are vacuum coating processes in which a glow discharge or magnetron discharge is ignited and material is atomized from the cathode by the bombardment of ions from the plasma onto the cathode. Furthermore, plasmas are used in vacuum coating processes to ionize and excite the steam generated by other processes. These vacuum coating processes include in particular the processes of plasma-activated evaporation.
Bei diesen plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozessen hängen die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten in starkem Maße vom Zustand des durch die elektrische Entladung erzeugten Plasmas ab. So führen Plasmen mit hoher Ladungsträgerdichte dazu, daß ein hoher Anteil des Dampfes ionisiert oder angeregt wird. Daraus resultiert ein Strom von energiereichen Teilchen zum Substrat, der zu den geforderten Schichteigenschaften, insbesondere zu sehr dichten Schichten führt. Durch den Einsatz von Plasmen bei reaktiven Vakuumbeschichtungsprozessen steigt die Reaktivität zwischen Dampfteilchen und Reaktivgasteilchen erheblich. Dadurch kommt es zu einer Veränderung der Dampfdichteverteilung im Raum zwischen dem Ort der Dampfentstehung und dem Ort der Dampfabscheidung. Das führt zu einer Veränderung des Schichtdickenprofils auf dem Substrat. Diese Einflüsse des Plasmas auf die Schichtbildung sind oft erwünscht, aber mitunter auch ein nicht erwünschter Nebeneffekt.In these plasma-assisted vacuum coating processes, the properties of the deposited layers depend to a large extent on the state of the plasma generated by the electrical discharge. For example, plasmas with a high charge density result in a high proportion of the vapor being ionized or excited. This results in a flow of high-energy particles to the substrate, which leads to the required layer properties, in particular to very dense layers. The use of plasmas in reactive vacuum coating processes increases the reactivity between vapor particles and reactive gas particles considerably. This leads to a change in the vapor density distribution in the space between the location of the vapor generation and the location of the vapor separation. This leads to a change in the layer thickness profile on the substrate. These influences of the plasma on the layer formation are often desirable, but sometimes an undesirable side effect.
In jedem Fall ist es jedoch wichtig, die Plasmaparameter, z.B. lonendichte, Energie der Ionen, Elektronendichte, mit ihren Einflüssen auf die Schichtbildung zu kennen, zu überwachen und über Regelprozesse konstant zu halten oder entsprechend einer Beschichtungstechnologie gezielt zu verändern.In any case, it is important to know the plasma parameters, eg ion density, energy of the ions, electron density, with their influences on the layer formation monitor and keep constant via control processes or change them according to a coating technology.
Es ist allgemein bekannt, für die Regelung von plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozessen die Parameter der elektrischen Entladung zu nutzen, indem diese elektrischen Parameter der Energieeinkopplung, wie z.B. die elektrische Leistung, zu messen und konstant zu halten. Ebenso kann die Stromstärke oder die Spannung der Entladung als Meßgröße für eine Regelung genutzt werden. Der Nachteil dieser Verfahren ist es, daß der Gesamt-Ladungsfluß, der aus Elektronen und Ionen gebildet wird, gemessen und zur Regelung genutzt wird. Der Anteil und die Energie der Ionen können nicht geregelt werden, obwohl die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht im starken Maße vom Anteil und der Energie dieser Ionen abhängen. Weiterhin können bei der Verwendung von mehreren Katoden die Einflüsse der elektrischen Entladung auf die einzelnen Katoden und auf den Dampfstrom zum Substrat nicht separiert werden.It is generally known to use the parameters of the electrical discharge for the regulation of plasma-assisted vacuum coating processes by using these electrical parameters of the energy coupling, e.g. the electrical power to measure and keep constant. The current intensity or the voltage of the discharge can also be used as a measurement variable for a control. The disadvantage of these methods is that the total charge flow, which is formed from electrons and ions, is measured and used for regulation. The proportion and the energy of the ions cannot be regulated, although the properties of the deposited layer depend to a large extent on the proportion and the energy of these ions. Furthermore, when using a plurality of cathodes, the effects of the electrical discharge on the individual cathodes and on the steam flow to the substrate cannot be separated.
Es ist auch bekannt, die Plasmaparameter am Substrat zu bestimmen. So wird z.B. das Floatingpotential eines elektrisch isolierten, leitfähigen Substrats durch Spannungsmessung bestimmt, oder es wird der Strom zum Substrat nach Anlegen einer Spannung an das Substrat ausgewertet (Schade, K. et al.; Plasmatechnik: Anwendung in der Elektronik, Verlag Technik Berlin, 1990, S. 96ff). Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie bei elektrisch isolierenden Substraten oder elektrisch isolierenden Schichten nicht anwendbar sind, da bei elektrisch isolierenden Substraten oder Schichten keine Spannung gemessen werden kann.It is also known to determine the plasma parameters on the substrate. For example, the floating potential of an electrically insulated, conductive substrate is determined by voltage measurement, or the current to the substrate is evaluated after application of a voltage to the substrate (Schade, K. et al .; plasma technology: application in electronics, Verlag Technik Berlin, 1990, p 96ff). These methods have the disadvantage that they cannot be used with electrically insulating substrates or electrically insulating layers, since no voltage can be measured with electrically insulating substrates or layers.
Es ist weiterhin ein Verfahren mit Sondenmessung bekannt, bei dem eine kleine elektrische Sonde definierter Geometrie im Plasma angeordnet ist (Janzen, G.; Plasmatechnik - Grundlagen, Anwendungen, Diagnostik, Heidelberg: Hüttig, 1992, S. 255ff). Die Strom- Spannungskennlinie wird ausgewertet und die Plasmaparameter werden errechnet. Nachteilig ist, daß die Sonde im Plasma einer hohen Dampf- und Temperaturbelastung unterliegt, daß dadurch die Meßergebnisse verfälscht werden und daß insbesondere bei Beschichtungsprozessen mit hoher Beschichtungsrate nur eine kurze Betriebszeit der Sonden erreicht wird. Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, in dem die Emission des Plasmas, insbesondere eine definierte Linie der Plasmaemission zur Charakterisierung der elektrischen Entladung und zur Regelung des plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozesses herangezogen wird (DD 239 810 A1). Dabei wird ein Lichtleitkabel in die Nähe des Plasmas geführt und mit einem Kollimator weitestgehend vor einer Beschichtung geschützt. Das Licht wird über ein Filter einem Verstärker, z.B. einem Sekundärelektronenvervielfacher zugeführt, der einen Regelkreis ansteuert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß nur ein kleiner Bereich des Plasmas zur Bestimmung der Plasmaparameter herangezogen wird, mit dem auf den gesamten Plasmabereich extrapoliert wird. Außerdem muß dieses Regelverfahren für jedes Beschichtungsmaterial eingestellt werden und auch während desA method with probe measurement is also known in which a small electrical probe of defined geometry is arranged in the plasma (Janzen, G .; Plasma Technology - Fundamentals, Applications, Diagnostics, Heidelberg: Hüttig, 1992, pp. 255ff). The current-voltage characteristic is evaluated and the plasma parameters are calculated. It is disadvantageous that the probe in the plasma is subject to a high vapor and temperature load, that the measurement results are falsified and that, in particular in coating processes with a high coating rate, only a short operating time of the probes is achieved. A method is also known in which the emission of the plasma, in particular a defined line of the plasma emission, is used to characterize the electrical discharge and to regulate the plasma-assisted vacuum coating process (DD 239 810 A1). A light guide cable is guided in the vicinity of the plasma and largely protected from coating with a collimator. The light is fed through a filter to an amplifier, for example a secondary electron multiplier, which drives a control loop. The disadvantage of this method is that only a small area of the plasma is used to determine the plasma parameters, which is used to extrapolate to the entire plasma area. In addition, this control method must be set for each coating material and also during the
Vakuumbeschichtungsprozesses häufig kalibriert werden, so daß die Durchführung dieses Verfahrens sehr aufwendig ist.Vacuum coating process are often calibrated, so that the implementation of this method is very expensive.
Weiterhin ist bekannt, elektrisch isolierende Schichten durch plasmagestützte Vakuumbeschichtungsprozesse unter Nutzung mittelfrequent gepulster Plasmen imIt is also known to use electrically insulating layers by means of plasma-assisted vacuum coating processes using medium-frequency pulsed plasmas in the
Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz aufzubringen (DD 252 205 A1). Der Nachteil dieser Verfahren mit gepulsten Plasmen besteht darin, daß keine Verfahren mit ausreichender Genauigkeit zur Messung bzw. Regelung solcher Vakuumbeschichtungsprozesse zur Verfügung stehen, aufgrund der komplizierten, von zahlreichen Parametern abhängigen Pulsformen der elektrischen Größen.Apply frequency range from 1 kHz to 100 kHz (DD 252 205 A1). The disadvantage of these methods with pulsed plasmas is that no methods with sufficient accuracy for measuring or controlling such vacuum coating processes are available due to the complicated pulse shapes of the electrical quantities, which are dependent on numerous parameters.
Es sind auch Verfahren zur Plasmaaktivierung beim Elektronenstrahlverdampfen bekannt (DE 43 36 680 A1, DE 43 36 681 A1). Dabei werden Bogenentladungen auf mindestens einem als Katode geschalteten Elektronenstrahlverdampfer betrieben. Der Nachteil dieser Verfahren ist es, daß der Elektronenstrahl und der im Dampf brennende Bogen sich gegenseitig beeinflussen.Methods for plasma activation in electron beam evaporation are also known (DE 43 36 680 A1, DE 43 36 681 A1). Arc discharges are operated on at least one electron beam evaporator connected as a cathode. The disadvantage of these methods is that the electron beam and the arc burning in the vapor influence each other.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung plasmagestützter Vakuumbeschichtungsprozesse durch Zerstäuben oder Verdampfen des Beschichtungsmaterials mit Gleichstromplasma oder gepulstem Plasma zu schaffen, um Schichten mit definierten Schichteigenschaften zu erzeugen. Das Verfahren soll die Regelung des Anteils von Ionen im Dampfraum des plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozesses ermöglichen. Es soll unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit der erzeugten Schichten und/oder der Substrate sein und in einfacher Weise über lange Zeiträume durchführbar sein. Die Einrichtung soll apparativ einfach ausgeführt sein.The invention has for its object to provide a method and a device for controlling plasma-assisted vacuum coating processes by atomizing or evaporating the coating material with direct current plasma or pulsed plasma in order to produce layers with defined layer properties. The method is intended to enable the regulation of the proportion of ions in the vapor space of the plasma-assisted vacuum coating process. It should be independent of the electrical conductivity of the layers and / or the substrates produced and in a simple manner be feasible over long periods of time. The device should be simple in terms of equipment.
Die Aufgabe wird nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in den Ansprüchen 7 und 8 beschrieben. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein Verfahren gefunden wurde, um die an sich bekannte Kraft von Ionen eines Plasmas beim lonenbombardement auf eine Katode zu nutzen, um ein daraus zu gewinnendes Signal zur Prozeßregelung zu verwerten. Durch diese Erkenntnis ist es möglich, die Kraft der Ionen des Plasmas beim lonenbombardement auf die Beschichtungsquelle zu erfassen und als Signal weiter zu verarbeiten. Die Beschichtungsquelle ist eine Zerstäubungsquelle, vorzugsweise vom Typ Magnetron, oder ein Verdampfer, vorzugsweise ein durch Elektronenstrahl beheizter Verdampfer. Diese Kraft der Ionen ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwischen der Katodenfläche und dem Plasma, durch die die Ionen eine entsprechend hohe Energie, die sich je nach lonen- masse in einem hohen lonenimpuls ausdrückt, erhalten. Außer von der Potentialdifferenz wird diese Kraft auf die Katode von der Anzahl der pro Zeiteinheit auf die Katode beschleunigten Ionen bestimmt.The object is achieved according to the features of patent claim 1. Further advantageous embodiments are described in claims 2 to 6. The device for performing the method is described in claims 7 and 8. The essence of the invention is that a method has been found to use the known force of ions of a plasma during ion bombardment on a cathode to utilize a signal to be obtained therefrom for process control. This knowledge makes it possible to record the force of the ions of the plasma during ion bombardment on the coating source and to process it further as a signal. The coating source is an atomization source, preferably of the magnetron type, or an evaporator, preferably an evaporator heated by an electron beam. This force of the ions results from the potential difference between the cathode surface and the plasma, through which the ions receive a correspondingly high energy, which is expressed in a high ion pulse depending on the ion mass. In addition to the potential difference, this force on the cathode is determined by the number of ions accelerated to the cathode per unit of time.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß durch Ermittlung dieser auf die Katode wirkenden Kraft eine Meßgröße ermittelt wird, aus der ein Signal gewonnen wird, mit dem es möglich ist, über einen an sich bekannten Regelkreis die Wirkung der elektrischen Entladung auf den Strom von Teilchen zum Substrat definiert zu regeln und somit die Eigenschaften der auf das Substrat aufgebrachten Schicht zu beeinflussen. Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch Mittelung des Signals plasmagestützte Vakuumbeschichtungsprozesse mit gepulsten Plasmen mit beliebiger Pulsform der elektrischen Parameter derart geregelt werden, daß sich beschichtete Substrate mit den geforderten Schichteigenschaften herstellen lassen. Bei der Verwendung von mindestens zwei als Katode wirkenden Beschichtungsquellen läßt sich mit diesem Verfahren die Wirkung der Entladung für jede einzelne Katode separieren und die Signale aus den einzelnen Katoden zur Regelung des gesamten Vakuumbeschichtungsprozesses verwenden, indem z.B. durch die Überlagerung einer Gleichspannung die elektrische Entladung im Mittel gleichermaßen auf die beiden Katoden verteilt wird. Das ist besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Katoden unterschiedliche Eigenschaften - z.B. unterschiedliche Magnetisierungen oder unterschiedliche Baugrößen - haben, und dadurch z.B. eine Wechselspannung von der Sinusform abweicht oder ungleich verteilt ist.An advantage of the invention is that by determining this force acting on the cathode, a measured variable is determined from which a signal is obtained with which it is possible to use a control circuit known per se to determine the effect of the electrical discharge on the flow of particles to To regulate the substrate in a defined manner and thus to influence the properties of the layer applied to the substrate. Further advantages of the invention are that by averaging the signal, plasma-assisted vacuum coating processes with pulsed plasmas with any pulse shape of the electrical parameters are controlled in such a way that coated substrates with the required layer properties can be produced. When using at least two coating sources acting as a cathode, this process can separate the effect of the discharge for each individual cathode and use the signals from the individual cathodes to regulate the entire vacuum coating process, for example by superimposing a direct voltage on the electrical discharge on average is equally distributed over the two cathodes. This is particularly advantageous if the individual cathodes have different properties - for example different magnetizations or different sizes - have, and thereby, for example, an AC voltage deviates from the sinusoidal shape or is distributed unevenly.
Durch die Anordnung der Sensoren zur Ermittelung der Kraft auf die Katode, auf der dem Plasma abgewandten Seite, werden Störungen durch Beschichtung oder thermischeThe arrangement of the sensors for determining the force on the cathode, on the side facing away from the plasma, eliminates faults caused by coating or thermal
Einwirkungen auf die Sensoren vermieden. D.h. das Verfahren ist unabhängig von derEffects on the sensors avoided. That the procedure is independent of the
Beschichtung mit elektrisch leitenden oder elektrisch isolierenden Materialien und/oderCoating with electrically conductive or electrically insulating materials and / or
Substraten durchführbar.Substrates feasible.
Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit und mögliche Betriebsdauer der Einrichtung, so daß sie langzeitstabil und sicher betrieben werden kann.This increases the reliability and possible operating time of the device, so that it can be operated with long-term stability and safely.
Zur Ausübung des Verfahrens wird jede Katode mit Kraftmeßzellen als Sensoren in der Vakuumkammer angeordnet. Die Kraftmeßzellen sind vorzugsweise elastische Elemente mit aufgebrachten Dehnmeßstreifen. Alle Versorgungsleitungen werden so angeschlossen, daß kein Kraftnebenschluß auftritt bzw. die daraus resultierenden Fehler vernachlässigbar klein sind. Ist beim Zerstäuben die Katodenoberfläche senkrecht angeordnet, d.h. wenn die Vorzugsrichtung des lonenbombardements auf die Katode waagerecht ist, wird die Kraft der elektrischen Entladung auf die Katode direkt in waagerechter Richtung gemessen. In allen anderen Fällen, z.B. wenn die Vorzugsrichtung des lonenbombardements auf die Katode senkrecht ist, ist dieser Kraft die Gewichtskraft der Katode und beim Verdampfen, z.B. Elektronenstrahlverdampfen, die Rückstoßkraft der verdampften Teilchen überlagert. Zusätzlich ändert sich zeitlich das Gewicht der Katode durch Zerstäuben oder Verdampfen. Folglich muß eine meßtechnische Trennung der Gewichtskraft von der Kraft der elektrischen Entladung erfolgen. Die Rückstoßkraft ist meist vernachlässigbar klein, oder sie wird zusammen mit der Gewichtskraft von der Kraft der elektrischen Entladung getrennt. Diese meßtechnische Trennung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Parameter, der die Kraft der elektrischen Entladung, die die Ionen auf die Katode ausüben, bestimmt, in seiner Größe so schnell verändert wird, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Kraft der elektrischen Entladung groß gegen die Änderungsgeschwindigkeit der Gewichtskraft der Katode ist. Das kann z.B. durch kurzes Aus- und Wiedereinschalten der elektrischen Entladung oder kurzzeitige Änderung der elektrischen Parameter der elektrischen Entladung (z.B. Stromstärke, elektrische Leistung) erfolgen. Die Kraftänderung der Gesamtkraft während der Einschalt- oder Ausschaltphase bzw. Änderungsphase ist dann ein Maß für die Kraft der elektrischen Entladung auf die Katode. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat den Vorteil, daß auch bereits vorhandene Einrichtungen ohne großen Aufwand nachgerüstet werden können, indem die Beschichtungsquellen nicht mehr direkt mit der Vakuumkammer verbunden sind, sondern Kraftmeßzellen zwischen Beschichtungsquelle und Vakuumkammer angeordnet sind. Desweiteren ist ein herkömmlicher Regelkreis notwendig, der im einfachsten Fall aus einem Filter und einem Regler besteht, mit dem das Signal verarbeitet und die entsprechenden Parameter zur Regelung des Vakuumbeschichtungsprozesses angesteuert werden.To carry out the method, each cathode with load cells as sensors is arranged in the vacuum chamber. The load cells are preferably elastic elements with applied strain gauges. All supply lines are connected in such a way that no force bypass occurs or the resulting errors are negligible. If the cathode surface is arranged vertically during sputtering, ie if the preferred direction of ion bombardment on the cathode is horizontal, the force of the electrical discharge on the cathode is measured directly in the horizontal direction. In all other cases, for example if the preferred direction of ion bombardment is perpendicular to the cathode, this force is superimposed on the weight of the cathode and during evaporation, for example electron beam evaporation, the recoil force of the vaporized particles. In addition, the weight of the cathode changes over time due to atomization or evaporation. Consequently, the weight force must be separated from the force of the electrical discharge by measurement. The recoil force is usually negligible, or it is separated from the force of the electrical discharge together with the weight. This metrological separation is achieved according to the invention in that a parameter which determines the force of the electrical discharge which the ions exert on the cathode is changed in size so quickly that the rate of change of the force of the electrical discharge is large compared to the rate of change of the Weight of the cathode. This can be done, for example, by briefly switching the electrical discharge off and on again, or by briefly changing the electrical parameters of the electrical discharge (eg current, electrical power). The change in force of the total force during the switch-on or switch-off phase or change phase is then a measure of the force of the electrical discharge on the cathode. 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 loop is necessary, which in the simplest case consists of a filter and a controller with which the signal is processed and the corresponding parameters for controlling the vacuum coating process are controlled.
An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen 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 zwei1 shows a section through a device for carrying out the method with two
Magnetron-Zerstäubungsquellen Fig 2: einen Schnitt durch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem ElektronenstrahlverdampferMagnetron sputtering sources Figure 2: a section through a device for performing the method with an electron beam evaporator
Fig. 3: ein Diagramm der Kraft, der Stromstärke der elektrischen Entladung und derFig. 3: a diagram of the force, the current of the electrical discharge and the
Elektronenstrahlleistung, in Abhängigkeit von der Zeit, beim plasmaaktiviertenElectron beam power, as a function of time, in the plasma-activated
Elektronenstrahlverdampfen,Electron beam evaporation,
In Fig. 1 sind an den Seitenwänden einer Vakuumkammer 1 zwei Magnetron- Zerstäubungsquellen 2 senkrecht mittels jeweils zweier Kraftmeßzellen 3, die elastische Elemente mit aufgebrachten Dehnmeßstreifen sind, angeordnet. Zwischen beiden Magnetrons 2 ist ein beidseitig zu beschichtendes Substrat 4 angeordnet. Die Magnetrons 2 sind mit den Ausgängen einer Wechselspannungsquelle 5 verbunden und dadurch abwechselnd als Katode oder Anode der elektrischen Entladung mit einer Frequenz von 50 kHz und einer Spitzenspannung Us geschaltet. Weiterhin ist eine Gleichspannungsqυelle 6 derart mit den Magnetrons 2 verbunden, daß der Wechselspannung die Gleichspannung so überlagert wird, daß der zeitliche Mittelwert über eine Periode der Wechselspannung auf Werte von -V2 Us bis +V2 Us verschoben werden kann. Brennt die elektrische Entladung zwischen den Magnetrons 2, so werden die auf dieIn Fig. 1, two magnetron sputtering sources 2 are arranged vertically on the side walls of a vacuum chamber 1 by means of two load cells 3, which are elastic elements with applied strain gauges. A substrate 4 to be coated on both sides is arranged between the two magnetrons 2. The magnetrons 2 are connected to the outputs of an AC voltage source 5 and are thereby alternately connected as a cathode or anode of the electrical discharge with a frequency of 50 kHz and a peak voltage Us. Furthermore, a DC voltage source 6 is connected to the magnetrons 2 in such a way that the AC voltage is superimposed on the DC voltage in such a way that the mean value over a period of the AC voltage can be shifted to values from -V 2 Us to + V 2 Us. If the electrical discharge burns between the magnetrons 2, they are switched on
Magnetrons 2 waagerecht wirkenden Kräfte mit den Kraftmeßzellen 3 gemessen. Die so gewonnenen Signale werden einem bekannten Regelkreis zugeführt, indem die Signale von jeweils einem Filter 7 geglättet werden. Anschließend werden die Ausgangssignale der Filter 7 einem Subtraktionsglied 8 zugeführt, in dem die beiden geglätteten Signale voneinander subtrahiert werden. Das Ausgangssignal des Subtraktionsgliedes 8, das Differenzsignal, wird einem Regler 9 zugeführt. Dieser beeinflußt die überlagerte Gleichspannung so lange, bis die Abweichung des Differenzsignals von Null minimal wird.Magnetrons 2 horizontally acting forces measured with the load cells 3. The signals obtained in this way are fed to a known control circuit in that the signals are each smoothed by a filter 7. The output signals of the filters 7 are then fed to a subtraction element 8, in which the two smoothed signals are subtracted from one another. The output signal of the subtractor 8, the Differential signal, is fed to a controller 9. This influences the superimposed DC voltage until the deviation of the difference signal from zero becomes minimal.
In Fig. 2 ist an einer Seite einer Vakuumkammer 1 eine Elektronenkanone 10 vom Axialtyp angeordnet, deren Elektronenstrahl 1 1 einen mit Titan gefüllten Verdampfer 12 beaufschlagt. Der Verdampfer 12 ist mittels Kraftmeßzellen 3, bestehend aus elastischen Elementen mit aufgebrachten Dehnmeßstreifen, waagercht in der Vakuumkammer 1 befestigt. Über dem Verdampfer 12 ist ein zu beschichtendes Substrat 13 angeordnet. Die Ausgänge einer Gleichstromquelle 14 zur Bogenstromversorgung zur Aufrechterhaltung der elektrischen Entladung sind so mit der Vakuumkammer 1 und dem Verdampfer 12, der als Katode geschaltet ist, verbunden, daß die elektrische Entladung brennt. Die Elektronenkanone 10 arbeitet mit einer konstanten Spannung und variabler Leistung. Zunächst werden eine bestimmte Leistung der Elektronenkanone 10 und ein fester Wert der Stromstärke larC der elektrischen Entladung eingestellt, so daß ausreichend Titan verdampft. Das Regelungsverfahren mit Hilfe der Kraftmessung wird zyklisch in den Phasen des Substratwechsels durchgeführt.In FIG. 2, an electron gun 10 of the axial type is arranged on one side of a vacuum chamber 1, the electron beam 11 of which acts on an evaporator 12 filled with titanium. The evaporator 12 is fastened horizontally in the vacuum chamber 1 by means of load cells 3, consisting of elastic elements with applied strain gauges. A substrate 13 to be coated is arranged above the evaporator 12. The outputs of a direct current source 14 for arc power supply to maintain the electrical discharge are connected to the vacuum chamber 1 and the evaporator 12, which is connected as a cathode, in such a way that the electrical discharge burns. The electron gun 10 operates at a constant voltage and variable power. First, a certain power of the electron gun 10 and a fixed value of the current lar C of the electrical discharge are set so that sufficient titanium evaporates. The control procedure using force measurement is carried out cyclically in the phases of changing the substrate.
Fig. 3 zeigt, wie nun die Kraft der elektrischen Entladung ermittelt wird. Die Elektronenstrahlleistung Peb, die Stromstärke der elektrischen Entladung larc und die Kraft F als Summe der Signale der Kraftmeßzelle 3 sind als Funktion über der Zeit t dargestellt. Die Verdampfung erfolgt mit der Elektronenstrahlleistung P,*, . Zu der Zeit t- wird die Kraft F- gemessen, welche sich aus der Kraft der elektrischen Entladung, der Rückstoßkraft des verdampfenden Titans und der Gewichtskraft des schmelzflüssigen Titans und des Verdampfers 12 zusammensetzt. Zunächst wird die Stromstärke L^ ohne Verzögerung von I- auf l2 = 0 geschaltet. Zur Zeit t2(t2>tι) wird die Kraft F2 gemessen. Zur Zeit t3, unmittelbar vor dem Wiedereinschalten der Entladung auf den Strom \-, wird F3 gemessen. Anschließend wird die Stromstärke 1^ ohne Verzögerung wieder auf den Wert l< geschaltet. Zu der Zeit td(t4>t3) wird die Kraft F4 gemessen. Diese Kraft F4 setzt sich wieder aus der Kraft der elektrischen Entladung, der Rückstoßkraft, der Gewichtskraft des schmelzflüssigen Titans und des Verdampfers 12 zusammen.3 shows how the force of the electrical discharge is now determined. The electron beam power Pe b , the current intensity of the electrical discharge l arc and the force F as the sum of the signals from the load cell 3 are shown as a function over time t. Evaporation takes place with the electron beam power P, *,. At time t- the force F- is measured, which is composed of the force of the electrical discharge, the recoil force of the evaporating titanium and the weight of the molten titanium and the evaporator 12. First, the current strength L ^ is switched from I- to l 2 = 0 without delay. The force F 2 is measured at time t 2 (t 2 > tι). At time t 3 , immediately before the discharge is switched on again to the current \ -, F 3 is measured. Then the current 1 ^ is switched back to the value l <without delay. The force F4 is measured at the time td (t 4 > t3). This force F4 is composed again of the force of the electrical discharge, the recoil force, the weight of the molten titanium and the evaporator 12.
Die vor und nach dem Vorgang der Reduzierung der Stromstärke larc aus den gemessenen Kräften ermittelten Signale werden von einem Filter 7 geglättet . Anschließend werden die Ausgangssignale des Filter 7 einem Regler 9 zugeführt. Im Regler 9 wird aus der Differenz zwischen den zum Zeitpunkt t- und t2 gemessenen Kräften Fi und F2 die Kraft der elektrischen Entladung ermittelt. Der Regler 9 vergleicht diese ermittelte Kraft mit vorgegebenen Sollwerten. Die Kraft der elektrischen Entladung aus der Differenz zwischen den zum Zeitpunkt t3 und t4 gemessenen Kräften F3 und F4 wird für Kontrollzwecke ermittelt.The signals determined before and after the process of reducing the current intensity I arc from the measured forces are smoothed by a filter 7. The output signals of the filter 7 are then fed to a controller 9. The force of the electrical discharge is determined in the controller 9 from the difference between the forces Fi and F 2 measured at the times t 2 and t 2 . The controller 9 compares this determined force with predetermined target values. The force of the electric discharge from the difference between the time t 3 and t 4 measured forces F 3 and F 4 is determined for control purposes.
Weicht die Kraft der elektrischen Entladung von einem vorgegebenen Sollwert ab, wird über einen Leistungssteiler 15 die Größe der Elektronenstrahlleistung Pet, derIf the force of the electrical discharge deviates from a predefined setpoint value, the size of the electron beam power Pet
Elektronenkanone 10 so verändert, daß die Abweichung der Kraft der elektrischen Entladung vom vorgegebenen Sollwert minimal wird. Electron gun 10 changed so that the deviation of the force of the electrical discharge from the predetermined target value is minimal.

Claims

PatentansprücheClaims
1 Verfahren zur Regelung von plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozessen, bei denen eine elektrische Entladung zur Erzeugung eines Plasmas aufrechterhalten wird, und bei denen mindestens eine Katode der elektrischen Entladung als1 Method for controlling plasma-assisted vacuum coating processes in which an electrical discharge is maintained to generate a plasma and in which at least one cathode is used as the electrical discharge
Beschichtungsquelle, die ein Verdampfer, vorzugsweise ein Elektronenstrahlverdampfer, oder eine Zerstäubungsquelle ist, verwendet wird, und mindestens ein Prozeßparameter über einen Regelkreis den Beschichtungsbedingungen angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die elektrische Entladung auf die als Katode geschaltete Beschichtungsquelle wirkende Kraft an mindestens einer Stelle ermittelt wird, indem die auf die Befestigung der Beschichtungsquelle wirkende Kraft gemessen wird, daß diese gewonnene Meßgröße als Signal erfaßt wird, und daß dieses Signal als Regelgröße dem Regelkreis zugeführt wird, der die Prozeßparameter regelt.Coating source, which is an evaporator, preferably an electron beam evaporator, or a sputtering source is used, and at least one process parameter is adapted to the coating conditions by means of a control loop, characterized in that the force acting on the coating source connected as a cathode by the electrical discharge acts on at least one The position is determined by measuring the force acting on the fastening of the coating source, that this measured variable obtained is recorded as a signal, and that this signal is fed as a controlled variable to the control loop which regulates the process parameters.
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei einer von der vertikalen Lage abweichend in der Vakuumkammer angeordneten Zerstäubungsquelle oder einem waagerecht angeordneten Elektronenstrahlverdampfer die durch die elektrische Entladung auf die Katode wirkende Kraft derart ermittelt wird, daß die auf die Beschichtungsquelle wirkenden2 The method according to claim 1, characterized in that in the case of an atomization source arranged differently from the vertical position in the vacuum chamber or a horizontally arranged electron beam evaporator, the force acting on the cathode by the electrical discharge is determined in such a way that the acting on the coating source
Kräfte als Summe gemessen werden, daß aus der Summe der Kräfte die Kraft der elektrischen Entladung meßtechnisch getrennt wird, indem mindestens ein diese Kraft bestimmender Prozeßparameter in seiner Größe so schnell verändert wird, daß die Änderungsgeschwindigkeit dieser Kraft groß gegen die Änderungsgeschwindigkeit der Gewichtskraft ist, und daß durch Differenzbildung aus der Summe der Kräfte vor der Änderung und der Summe der Kräfte nach der Änderung die auf die Katode wirkende Kraft der elektrischen Entladung ermittelt wird.Forces are measured as a sum, that the force of the electrical discharge is separated by measurement from the sum of the forces by changing at least one process parameter determining this force so quickly that the rate of change of this force is large compared to the rate of change of the weight force, and that the difference between the sum of the forces before the change and the sum of the forces after the change determines the force of the electrical discharge acting on the cathode.
3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung eines die elektrische Entladung bestimmenden Prozeßparameters, insbesondere Stromstärke und elektrische Leistung, derart erfolgt, daß die elektrische Entladung aus- und wiedereingeschaltet oder kurzzeitig verändert wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betreiben mindestens zweier Zerstäubungsquellen mit einer pulsförmigen Wechselspannung mit den aus der Kraft der elektrischen Entladung gewonnenen Signalen über einen Regelkreis die elektrischen Parameter der pulsförmigen Wechselspannung so verändert werden, daß die Kräfte der elektrischen Entladung auf die einzelnen3 The method according to claim 2, characterized in that the change of a process parameter determining the electrical discharge, in particular current strength and electrical power, takes place in such a way that the electrical discharge is switched off and on again or is briefly changed. Method according to Claims 1 to 3, characterized in that when operating at least two atomization sources with a pulsed alternating voltage with the signals obtained from the force of the electrical discharge, the electrical parameters of the pulsed alternating voltage are changed via a control circuit so that the forces of the electrical discharge are applied the single ones
Zerstäubungsquellen auf vorgegebene Sollwerte geregelt werden.Atomization sources can be regulated to specified target values.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von zwei Zerstäubungsquellen mit den aus der Kraft der elektrischen Entladung gewonnenen Signalen der zeitliche Mittelwert der pulsförmigenMethod according to Claims 1 to 4, characterized in that when two atomization sources are used with the signals obtained from the force of the electrical discharge, the time average of the pulse-shaped
Wechselspannung über eine Periode durch Veränderung des Tastverhältnisses oder durch Überlagerung einer Gleichspannung derart verändert wird, daß auf beide Zerstäubungsquellen die gleiche mittlere Kraft der elektrischen Entladung wirkt.AC voltage is changed over a period by changing the duty cycle or by superimposing a DC voltage such that the same average force of the electrical discharge acts on both atomization sources.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei derA method according to claim 1 to 3, characterized in that the
Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers mit dem aus der elektrischen Entladung gewonnenen Signal die Regelung der Leistung der Energiezufuhr zum Beschichtungsmaterial derart erfolgt, daß die Kraft der elektrischen Entladung auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.Using an electron beam evaporator with the signal obtained from the electrical discharge, the regulation of the power of the energy supply to the coating material is carried out in such a way that the force of the electrical discharge is regulated to a predetermined desired value.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , bestehend aus einer Vakuumkammer, in der mindestens eine Zerstäubungsquelle oder mindestens ein Elektronenstrahlverdampfer als Beschichtungsquelle angeordnet ist, wobei mindestens eine Beschichtungsquelle als Katode einer elektrischen Entladung geschaltet ist, und daß die Zerstäubungsquelle in beliebiger Lage in derDevice for carrying out the method according to claim 1, consisting of a vacuum chamber in which at least one atomization source or at least one electron beam evaporator is arranged as the coating source, at least one coating source being connected as the cathode of an electrical discharge, and in that the atomization source in any position
Vakuumkammer angeordnet ist, einem Gaseinlaß und einem Regelkreis zur Regelung der Prozeßparameter, dadurch gekennzeichnet, daß die als Katode (2 ) geschaltete Beschichtungsquelle mit mindestens einer Kraftmeßzelle (3) in der Vakuumkammer (1) befestigt ist und daß die Kraftmeßzelle (3) mit dem Regelkreis elektrisch verbunden ist.Vacuum chamber is arranged, a gas inlet and a control circuit for controlling the process parameters, characterized in that the coating source connected as a cathode (2) is fastened in the vacuum chamber (1) with at least one load cell (3) and that the load cell (3) with the Control circuit is electrically connected.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßzelle (3) ein elastisches Element mit aufgebrachtem Dehnmeßstreifen ist. Device according to claim 7, characterized in that the load cell (3) is an elastic element with an applied strain gauge.
PCT/DE1997/000265 1996-02-14 1997-02-07 Method and device for control of plasma enhanced vacuum coating processes WO1997030186A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1996105316 DE19605316C1 (en) 1996-02-14 1996-02-14 Method and appts. for controlling plasma-aided vacuum coating processes
DE19605316.1 1996-02-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1997030186A1 true WO1997030186A1 (en) 1997-08-21

Family

ID=7785303

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1997/000265 WO1997030186A1 (en) 1996-02-14 1997-02-07 Method and device for control of plasma enhanced vacuum coating processes

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE19605316C1 (en)
WO (1) WO1997030186A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19715647C2 (en) * 1997-04-15 2001-03-08 Ardenne Anlagentech Gmbh Method and device for regulating the reactive layer deposition on substrates by means of elongated magnetrons
DE102004018435A1 (en) * 2004-04-06 2005-10-27 Carl Zeiss Device for coating substrates on both sides with a hydrophobic layer
DE102010003106B4 (en) * 2010-03-22 2013-11-21 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Process, apparatus and coating system for long-term stable evaporation
DE102013011068A1 (en) 2013-07-03 2015-01-08 Oerlikon Trading Ag, Trübbach Target age compensation method for performing stable reactive sputtering

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5597467A (en) * 1979-01-18 1980-07-24 Citizen Watch Co Ltd Ion plating equipment
JPS57169088A (en) * 1981-04-09 1982-10-18 Olympus Optical Co Ltd Crucible
JPH04116166A (en) * 1990-09-04 1992-04-16 Hitachi Ltd Method and device for measuring vapor deposition state and vapor deposition device
DE4336681A1 (en) * 1993-10-27 1995-05-04 Fraunhofer Ges Forschung Method and device for plasma-activated electron beam evaporation

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD239810A1 (en) * 1985-07-31 1986-10-08 Ardenne Forschungsinst DEVICE FOR CONTROLLING A PLASMATRON SOURCE
DD252205B5 (en) * 1986-09-01 1993-12-09 Fraunhofer Ges Forschung atomizing
DE4336680C2 (en) * 1993-10-27 1998-05-14 Fraunhofer Ges Forschung Process for electron beam evaporation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5597467A (en) * 1979-01-18 1980-07-24 Citizen Watch Co Ltd Ion plating equipment
JPS57169088A (en) * 1981-04-09 1982-10-18 Olympus Optical Co Ltd Crucible
JPH04116166A (en) * 1990-09-04 1992-04-16 Hitachi Ltd Method and device for measuring vapor deposition state and vapor deposition device
DE4336681A1 (en) * 1993-10-27 1995-05-04 Fraunhofer Ges Forschung Method and device for plasma-activated electron beam evaporation

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 004, no. 151 (C - 028) 23 October 1980 (1980-10-23) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 007, no. 011 (C - 145) 18 January 1983 (1983-01-18) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 016, no. 362 (C - 0971) 5 August 1992 (1992-08-05) *

Also Published As

Publication number Publication date
DE19605316C1 (en) 1996-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3700633C1 (en) Method and device for the gentle coating of electrically conductive objects by means of plasma
DE4441206C2 (en) Device for the suppression of rollovers in cathode sputtering devices
EP0755461B1 (en) Process and device for ion-supported vacuum coating
DE1295310B (en) Evaporation control method
EP2795657B1 (en) Device for producing a hollow cathode arc discharge plasma
WO1996026302A1 (en) Reactive sputtering process
DE112008001001B4 (en) Method for controlling mass spectrometers and mass spectrometers
EP2585622B1 (en) Arc deposition source having a defined electric field
EP3289113A1 (en) Method for producing coated substrates
DE4420951C2 (en) Device for detecting micro-flashovers in atomizing systems
DE4242633C2 (en) Process for carrying out stable low-pressure glow processes
DE4324683C1 (en) Procedure for adapting the generator in bipolar low-pressure glow processes
DE19546827A1 (en) Plasma process for coating of substrates
DE19605316C1 (en) Method and appts. for controlling plasma-aided vacuum coating processes
EP2562784A2 (en) Sensor assembly for characterization of plasma coating, plasma etching and plasma treatment processes and method for determining characteristic parameters in these processes
WO1993014240A1 (en) Process for ionising thermally generated material vapours and device for implementing it
DE4328586A1 (en) Controlling the reaction ratio during coating process - in which the partial pressure of the gas is adjusted by alteration of the evapn. rate of a solid reacting with the gas etc.
DE19605315C1 (en) Method and appts. for controlling a vacuum coating process
DE1648808B2 (en) METHOD AND DEVICE FOR MONITORING A VAPOR DENSITY
DE2624005C2 (en) Method and device for applying thin layers to a substrate by the &#34;ion-plating&#34; method.
DE19605335C1 (en) Controlling a vacuum coating process
DE102005033515A1 (en) Use of plasma-activated electron beam vaporization with diffuse cathodic vacuum arc for coating substrates, controls operational parameters affecting layer thickness and its distribution
DE4304613C1 (en) Stabilisation of plasma generation using electron beam evaporator for metals - focusing electron beam on evaporator material within housing and monitoring intensity of light emission above surface, to control power supply to electron gun
DE102010003661A1 (en) Electron beam evaporation of dielectric materials in evaporation chamber for coating substrates, comprises evaporating a dielectric material deposited in an evaporation well, in an open crucible using an electron beam to form vapor source
EP0880795A1 (en) Process for control of the energy distribution in bipolar low-pressure glow processes

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase