DE10234855A1 - Device for adjusting layer thickness distribution during vacuum deposition on moving substrates comprises adjustable opening delimited by partial screens, and vaporizing region running across moving direction - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Einstellung einer vorgegebenen Schichtdickenverteilung bei Vakuumbeschichtungsprozessen auf bewegten Substraten, ohne dass ein Belüften des Beschichtungsraumes erforderlich ist. Solche Beschichtungsprozesse finden Anwendung beim Aufbringen dünner Schichten auf Werkstücken und Formteilen, beispielsweise bei dem Beschichten von Flachsubstraten, optischen Linsen, Reflektoren, Filtern oder Automobilscheiben mit ebener oder gekrümmter Oberfläche mit transparenten optischen Funktionsschichten.The invention relates to a device for setting a predefined layer thickness distribution in vacuum coating processes on moving substrates without venting the coating room is required. Such coating processes are used when applying thinner Layers on workpieces and molded parts, for example when coating flat substrates, with optical lenses, reflectors, filters or automotive windows flat or curved surface with transparent optical functional layers.
Es ist bekannt, Schichtdickenverteilungen bei Vakuumbeschichtungsprozessen durch feste Aperturblenden für den Dampfstrom einzustellen. Die Bemessung solcher Festblenden für das Hochvakuumbedampfen (G. Deppisch Vakuumtechnik 30, 1981, S. 67 ff) und das Katodenzerstäuben (G. Deppisch Vakuumtechnik 30, 1981, S. 106 ff) erfolgt meist durch Verwendung allgemeiner Berechnungsmethoden. Allerdings erfordern berechnete Festblenden im Allgemeinen noch weitere schrittweise Verbesserungen durch aufwendige Beschichtungen und Schichtdickenmessungen, da in den Rechenmodellen nicht alle Einflüsse der Prozessparameter, z. B. der Streuung der Dampfteilchen am Arbeitsgas, berücksichtigt werden können. Die Form solcher Festblenden wird deshalb für Beschichtungsaufgaben für stets gleichgeformte Substrate, die bei konstanten Prozessbedingungen beschichtet werden, iterativ verfeinert, bis die Abweichung von der gewünschten Schichtdickenverteilung ein vorgegebenes Toleranzfenster unterschreitet. So lässt sich z. B. die Abnahme der Schichtdicke im Bereich des Randes der Beschichtungsgeometrie durch eine angepasste Form einer Festblende korrigieren, wenn ebene Substrate zur Beschichtung linear zu einer Magnetron-Sputterquelle bewegt werden. Die Festblende schattet dabei Teile des Dampfstromes im mittleren Teil des Bedampfungsbereiches ab. Durch solche Ausblendungen von Teilen des Dampfstromes lässt sich insbesondere die Fläche, auf der die Schichtdicke homogen ist, vergrößern. Es ist auch möglich, eine vorgegebene Schichtdickenverteilung auf gekrümmten, insbesondere auf schwach gekrümmten Substraten zu erreichen, wenn diese relativ zur Dampfquelle bewegt werden. In PCT WO 00/14294 wird z. B. eine Form einer Festblende angegeben, die die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke auf konvex gekrümmten ophthalmischen Linsen verbessert. Nachteilig bei der Verwendung solcher Festblenden wirken sich alle Änderungen von Prozessparametern aus. Bereits Druckänderungen oder die fortschreitende Erosion der Targets beim Zerstäuben wirken sich begrenzend auf die Treffgenauigkeit der angestrebten Schichtdickenverteilung aus. Der Wirksamkeit dieses Vorgehens sind damit technische Grenzen gesetzt. Außerdem ist die Notwendigkeit, die gesuchten Festblenden experimentell iterativ zu verbessern, mit großem Arbeitsaufwand verbunden, insbesondere deshalb, weil jede Änderung der Form der Blenden mit einem Belüften und erneuten Evakuieren der Beschichtungsanlage verbunden ist. Ein Unterbrechen der Beschichtung zum Zwecke der Blendenkorrektur hat außerdem meist auch eine Veränderung der lokalen Abscheiderate beim Wiedereinschalten des Prozesses zur Folge. Bei vielen reaktiven Prozessen hat eine Belüftung der Beschichtungskammer zusätzlich den Nachteil, dass parasitäre Schichten auf Blenden und anderen Einbauten der Beschichtungsumgebung nicht stabil aufwachsen können und den Prozess somit destabilisieren.It is known to have layer thickness distributions Vacuum coating processes through fixed aperture diaphragms for the steam flow adjust. The dimensioning of such fixed orifices for high vacuum vapor deposition (G. Deppisch Vakuumtechnik 30, 1981, p. 67 ff) and cathode sputtering (G. Deppisch Vakuumtechnik 30, 1981, p. 106 ff) is usually done by Use of general calculation methods. However, require calculated fixed diaphragms generally further step by step Improvements through complex coatings and layer thickness measurements, since not all influences of the process parameters, e.g. B. the scattering of the vapor particles on the working gas is taken into account can be. The shape of such fixed screens is therefore forever for coating tasks Uniformly shaped substrates that work under constant process conditions be coated, iteratively refined until the deviation from the desired layer thickness distribution falls below a predetermined tolerance window. So you can z. B. the decrease in layer thickness in the area of the edge of the coating geometry correct with an adapted shape of a fixed aperture if flat Coating substrates linear to a magnetron sputter source be moved. The fixed orifice shades parts of the steam flow in the middle part of the vaporization area. Through such fades of parts of the steam flow especially the area on which the layer thickness is homogeneous, increase. It is also possible to get one Predefined layer thickness distribution on curved, in particular on weak curved Reach substrates when moving relative to the steam source become. In PCT WO 00/14294 z. B. a shape of a fixed aperture specified the uniformity the layer thickness on convexly curved ophthalmic Lenses improved. Disadvantageous when using such fixed screens all changes affect from process parameters. Already pressure changes or the progressive Erosion of targets when sputtering have a limiting effect on the accuracy of the target Layer thickness distribution. The effectiveness of this approach are thus setting technical limits. Furthermore, the need experimentally iteratively improve the fixed screens, with a lot of work connected, especially because any change in the shape of the bezels with aeration and another evacuation of the coating system is connected. On Interrupting the coating for the purpose of aperture correction also usually has also a change the local deposition rate when the process is switched on again Episode. In many reactive processes, there is aeration of the Coating chamber additionally the Disadvantage that parasitic Layers on panels and other internals in the coating environment cannot grow up stably and thus destabilize the process.
Eine weitere Methode zur Einstellung der vorgegebenen Schichtdickenverteilung bei reaktiven Vakuumbeschichtungsprozessen basiert auf der Veränderung des lokalen Reaktivgasangebots, da ein größeres lokales Angebot des Reaktivgases meist mit einer Abnahme der lokalen Abscheiderate einhergeht. Diese Methode funktioniert in-situ. Sie hat aber den Nachteil, dass sie sich nicht mit vertretbarem Aufwand verfeinern lässt, um damit eine hohe lokale Auflösung zu erreichen, und dass das veränderte lokale Reaktivgasangebot nicht nur die Abscheiderate, sondern auch die lokale Bedeckung der Targets mit Reaktionsprodukten beim Zerstäuben verändert. Dieser Effekt führt oft zu Instabilitäten bei der Prozessführung. Außerdem ändern sich mit der Gaszusammensetzung häufig auch verschiedene Schichteigenschaften, was stets zu beachten ist, wenn die Schichtdicke nicht der einzige Zielparameter bei der Beschichtung ist.Another method of hiring the specified layer thickness distribution in reactive vacuum coating processes is based on the change of the local reactive gas supply, since there is a larger local supply of the reactive gas mostly accompanied by a decrease in the local deposition rate. This Method works in-situ. But it has the disadvantage that it cannot be refined with reasonable effort in order to achieve a high local resolution achieve, and that the changed local reactive gas supply not only the deposition rate, but also changed the local coverage of the targets with reaction products during atomization. This Effect leads often to instabilities in litigation. Also change with the gas composition often also different layer properties, which must always be observed, if the layer thickness is not the only target parameter when coating is.
Zur Verbesserung von Schichtdickenverteilungen beim Vakuumbeschichten konkav gekrümmter Substratoberflächen wird auch die Streuung des sich ausbreitenden Dampfes an einem zu diesem Zweck in den Beschichtungsraum eingelassenen inerten Gas genutzt. Auch mit dieser Vorgehensweise sind eine Verschlechterung der Dampfausnutzung und häufig eine Verschlechterung der Schichteigenschaften verbunden.To improve layer thickness distributions when vacuum coating becomes concave curved substrate surfaces also the scattering of the spreading steam on one for this purpose inert gas let into the coating room. Also with this approach are a deterioration in steam utilization and frequently a deterioration in the layer properties.
Es ist auch bekannt, die Schichtdickenverteilung dadurch zu beeinflussen, dass bewegliche Blenden in den Dampfstrom geschwenkt werden. Je nach Schwenkzustand blenden diese einen Teil des Dampfstromes aus. Die Form des ausgeblendeten Bereiches hängt im Wesentlichen von der Form der Blende ab. Die Einrichtungen haben den Nachteil, dass die Schichtdickenverteilung nur in engen Grenzen, die durch die Form der Blenden bestimmt werden, verändert werden kann. Außerdem entsteht durch derartige Blenden ein relativ großer Platzbedarf für den Schwenkbereich. Bei Schwenkbewegungen um eine Achse parallel zur Substratebene entsteht zusätzlich das Problem, dass sich der Abstand zwischen dem Substrat und dem für die Ausblendung entscheidenden Blendenrand während der Schwenkbewegung ändert, was die Einstellung definierter Bedingungen zusätzlich erschwert. Ein weiterer Nachteil derartiger Einrichtungen ist, dass eine Anpassung an sich ändernde Prozessbedingungen nur in sehr begrenztem Maße möglich ist.It is also known to influence the layer thickness distribution by pivoting movable screens into the steam flow. Depending on the swivel state, these hide part of the steam flow. The shape of the hidden area essentially depends on the shape of the aperture. The devices have the disadvantage that the layer thickness distribution can only be changed within narrow limits, which are determined by the shape of the diaphragms. In addition, such panels create a relatively large space requirement for the swivel range. With pivoting movements around an axis parallel to the substrate plane, there is also the problem that the distance between the substrate and the one for the blanking decisive aperture edge changes during the swivel movement, which further complicates the setting of defined conditions. Another disadvantage of such devices is that an adaptation to changing process conditions is only possible to a very limited extent.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einrichtung zur Einstellung einer vorgegebenen Schichtdickenverteilung auf bewegten Substraten bei Vakuumbeschichtungsprozessen zu schaffen, die auch bei Veränderung der Prozessbedingungen, wie veränderter Substratoberflächenform, fortschreitender Erosion der Targets beim Zerstäuben, Druckänderungen usw., wirksam ist und ein einfaches und schnelles Korrigieren der Schichtdickenverteilung ohne Belüften der Beschichtungskammer und ohne Verschlechterung der Schichteigenschaften ermöglicht.The invention has for its object a improved device for setting a predetermined layer thickness distribution to create on moving substrates in vacuum coating processes, that even with change of process conditions, such as changed Substrate surface shape progressive erosion of the targets during sputtering, pressure changes, etc., is effective and easy and quick correction of the layer thickness distribution without ventilation the coating chamber and without deteriorating the layer properties allows.
Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 beziehen sich auf zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung.The task is done by a facility solved with features of claim 1. Claims 2 to 5 relate to appropriate configurations the device according to the invention.
Die Erfindung geht davon aus, dass der Bereich, in dem eine Beschichtung von bewegten Substraten erfolgt, an Stellen, an denen die Substrate in den Bedampfungsbereich eintreten oder/und austreten, durch einzeln bewegbare Teilblenden begrenzt wird. Die Bewegung der Teilblenden erfolgt in einer Ebene parallel zur Transportebene der Substrate. Die Bewegungsrichtung der Teilblenden ist im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Substrate, d. h. durch eine Veränderung der Position der Teilblenden kann die Länge des vom Substrat zu durchlaufenden Bedampfungsbereiches im jeweiligen der Teilblende zuzuordnenden Bereich verändert werden. Durch unterschiedliche Einstellungen der Teilblenden kann somit sichergestellt werden, dass sich einzelne Substrate oder Substratbereiche je nach ihrer Anordnung auf einem bewegten Substratträger bei einem Durchlauf unterschiedlich lange im Bedampfungsbereich befinden. Auf diese Weise können ungleichmäßige Dampfdichten ausgeglichen werden, also Schichten mit hoher Dickengleichmäßigkeit abgeschieden werden, oder gezielt Dickenverläufe auf einzelnen Substraten erzeugt werden. Abhängig von der Feingliedrigkeit der variablen Begrenzung des Bedampfungsbereiches lassen sich unterschiedlich komplizierte Dickenverläufe realisieren.The invention assumes that the area in which moving substrates are coated, at locations where the substrates enter the vapor deposition area or / and emerge, is limited by individually movable part diaphragms. The movement of the part diaphragms takes place in a plane parallel to Transport plane of the substrates. The direction of movement of the sub-apertures is essentially parallel to the transport direction of the substrates, d. H. through a change The position of the partial diaphragms can be the length of the substrate to be traversed Steaming area to be assigned in the respective of the partial aperture Area changed become. Through different settings of the sub-apertures thus ensuring that individual substrates or substrate areas depending on their arrangement on a moving substrate one pass in the vapor deposition area for different lengths of time. That way you can uneven vapor densities be balanced, i.e. layers with high thickness uniformity be deposited, or targeted thickness profiles on individual substrates be generated. Dependent of the delicacy of the variable limitation of the vapor deposition area differently complicated thickness profiles can be realized.
Für viele Anwendungen genügt es, wenn die beweglichen Teilblenden aus rechteckigen Blendstreifen bestehen, die nebeneinander angeordnet werden und einzeln bewegbar sind. Erfindungsgemäß erfolgt diese Bewegung in-situ durch einzelne, einzelnen Teilblenden zugeordnete Stellmechanismen. Somit entfällt die Notwendigkeit einer Zwischenbelüftung. Der gesamte Bedampfungsbereich kann als aus nebeneinander angeordneten streifenförmigen Bereichen bestehend angesehen werden, wobei die Länge der streifenförmigen Bereiche variabel und einstellbar ist. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung lässt sich wesentlich verbessern und eine hohe Übereinstimmung der erreichbaren Schichtdickenverteilung mit einer angestrebten Verteilung erreichen, wenn die Anzahl der nebeneinander liegenden streifenförmigen Bereiche, deren Berandungen unabhängig voneinander einstellbar sind, deutlich größer als zwei, je nach Breite des Bedampfungsbereiches vorzugsweise 10 bis 30 beträgt. Auf diese Weise kann die Breite jedes Streifens nur wenige Millimeter betragen. Es kann auch eine noch höhere Zahl von Teilblenden zweckmäßig sein.For many applications are sufficient it when the movable sub-panels are made of rectangular glare strips exist, which are arranged side by side and individually movable are. According to the invention this movement is assigned in-situ by individual, individual partial diaphragms Adjusting mechanisms. It is therefore no longer necessary the need for intermediate ventilation. The entire vaporization area can as consisting of strip-shaped areas arranged side by side be viewed, the length the striped Ranges is variable and adjustable. The effectiveness of the device according to the invention let yourself significantly improve and a high agreement of the achievable Achieve layer thickness distribution with a desired distribution, if the number of adjacent strip-shaped areas whose Boundaries independent are adjustable from each other, significantly larger than two, depending on the width of the Steaming range is preferably 10 to 30. In this way, the Width of each strip is only a few millimeters. It can also be one even higher Number of sub-apertures should be appropriate.
Es kann zweckmäßig sein, dass besagte Teilblenden in einem geringen Abstand zu den Substraten angeordnet und wirksam gemacht werden. Dieser Abstand sollte vorzugsweise höchstens einem Zehntel des Abstandes zwischen Dampfquelle und Substrat entsprechen. Auf diese Weise kann die erreichbare Schichtdickenverteilung sehr feinstufig mit hoher örtlicher Auflösung quer zur Bewegungsrichtung der Substrate eingestellt werden. Allerdings können an den Übergangspositionen zwischen den streifenförmigen Bereichen sprungartige Änderungen der Schichtdicke nicht völlig ausgeschlossen werden.It may be expedient for the partial diaphragms in question arranged at a short distance from the substrates and effective be made. This distance should preferably be at most correspond to one tenth of the distance between the steam source and the substrate. In this way, the achievable layer thickness distribution can be very high finely graded with high local resolution can be set transversely to the direction of movement of the substrates. However, can the transition positions between the stripe-shaped Areas of sudden changes the layer thickness is not completely be excluded.
Es kann auch zweckmäßig sein, besagte Teilblenden in einem größeren Abstand zu den Substraten, der mindestens einem Viertel des Abstandes zwischen der/den Beschichtungsquelle(n) und den Substraten entspricht, anzuordnen. Bei Nutzung einer solchen Einrichtung treten keinerlei sprungartige Änderungen der Schichtdicke auf den Substraten auf, jedoch lässt sich die Feinstufigkeit der Beeinflussung der Schichtdickenverteilung dann nicht unbegrenzt verfeinern, auch wenn die Zahl der Teilblenden sehr hoch gewählt wird. Durch Anpassung des Abstandes zwischen Substrat und Blende und die Anzahl der bewegbaren Teilblenden lässt sich die Erfindung problemlos an unterschiedlichste Anforderungen anpassen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung mit einer Bewegungsrichtung der Teilblenden parallel zur Transportrichtung der Substrate besteht darin, dass sich der Abstand zwischen Blende und Substrat unabhängig von einer Veränderung der Position der Teilblenden nicht ändert, was sich vorteilhaft auf die Konstanz von Schichtdickenprofilen und die erreichbare Komplexität derartiger Profile auswirkt.It can also be useful said partial apertures at a greater distance to the substrates, which is at least a quarter of the distance between corresponds to the coating source (s) and the substrates. When using such a facility, no sudden changes occur the layer thickness on the substrates, but can be the fineness of influencing the layer thickness distribution then do not refine indefinitely, even if the number of partial apertures chosen very high becomes. By adjusting the distance between the substrate and the aperture and the number of movable part diaphragms, the invention can be easily adapt to different requirements. An advantage of the solution according to the invention a direction of movement of the sub-panels parallel to the transport direction of the substrates is that the distance between the aperture and substrate independently from a change in Position of the sub-apertures does not change, which is beneficial to the constancy of layer thickness profiles and the achievable complexity such profiles affects.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Einrichtung mit Mitteln, die die mechanisierte oder automatisierte Einstellung der Berandungen unabhängig für jeden streifenförmigen Bereich ermöglicht. Im Fall einer automatisierten Einstellung ist es besonders zweckmäßig, Regler einzusetzen, die Istwerte von Messgrößen der Schicht nutzen, welche direkt oder indirekt mit der ortsaufgelösten Schichtdicke korrelieren.It is particularly advantageous to design the device with means that enable the mechanized or automated setting of the boundaries independently for each strip-shaped area. In the case of an automated setting, it is particularly expedient to use controllers that use the actual values of measured variables of the layer, which directly or indirectly with the spatially resolved layer di correlate.
Die in-situ Einstellbarkeit der Berandung des Bedampfungsbereiches durch einzelne bewegbare Teilblenden, also ein Abgleich der Länge der streifenförmigen Bereiche des Bedampfungsbereiches, hat entscheidende Vorteile. Zum einen kann die Korrektur einer beschichteten und gemessenen Verteilung deutlich schneller erfolgen, da kein Abschalten der Prozessstationen und Belüften der Beschichtungskammer und Wiederanpumpen erforderlich ist. Ein Unterbrechen der Beschichtung zum Zwecke der Blendenkorrektur hat meist auch eine Veränderung der lokalen Abscheiderate beim Wiedereinschalten des Prozesses zur Folge. Alle Einstellalgorithmen zur Blendenkorrektur wirken dann zuverlässig, wenn zumindest über bestimmte Zeitabschnitte der Einstellung von einer konstanten lokalen Rate ausgegangen werden kann, was durch die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht wird. Auch eine Anpassung der Bereichsbegrenzung an evtl. auftretendes Driften der Dampfdichteverteilung oder ähnliche Parameter ist mit der erfindungsgemäßen Einrichtung problemlos möglich. Das Vermeiden einer Belüftung der Beschichtungskammer hat speziell bei reaktiven Beschichtungsprozessen den Vorteil, dass die parasitären Schichten auf Blenden und anderen Einbauten der Beschichtungsumgebung stabil aufwachsen können und den Prozess nicht destabilisieren.The in-situ adjustability of the boundary of the vaporization area by means of individual movable part diaphragms, that is an adjustment of the length the striped Areas of the vaporization area have decisive advantages. To the one can clearly see the correction of a coated and measured distribution done faster because the process stations and ventilate the coating chamber and re-pumping is required. An interruption usually also has the coating for the purpose of aperture correction a change in local deposition rate when the process is switched on again. All setting algorithms for aperture correction work reliably if at least about certain periods of time from a constant local setting Rate can be assumed, what through the device according to the invention allows becomes. Also an adjustment of the area limitation to possibly occurring Vapor density distribution or similar parameters drift with the device according to the invention possible without any problems. Avoiding ventilation The coating chamber has special features in reactive coating processes the advantage that the parasitic Layers on panels and other internals in the coating environment can grow up stably and not destabilize the process.
In zwei Ausführungsbeispielen wird die erfindungsgemäße Einrichtung näher erläutert.In two exemplary embodiments, the device according to the invention explained in more detail.
Dabei zeigenShow
Gemäß
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel werden
in einer Zerstäubungsanlage
ebene Glasscheiben
Claims (5)
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