DE2438963A1 - Verfahren und anordnung zur regelung des schichtaufbaus bei der erzeugung optisch wirksamer duennschichten - Google Patents
Verfahren und anordnung zur regelung des schichtaufbaus bei der erzeugung optisch wirksamer duennschichtenInfo
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Description
DiPL.)f»G. HANS ZAPFE PATENTANWALT
D - 605 OfFENBACH (MAIN) KAISERSTRASSE 9
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
TELEFON (06 11) 88 27 21
8. Juli 1974 Zap/IIan
Akte: 74512
LEYBOLD-HEPvAEUS GmbH & Co. KG
5ooo
KÖLN
Bonner Straße 5o4
Verfahren und Anordnung zur Regelung des Schichtaufbaus bei der Erzeugung optisch v/irksamer Dünnschichten
"
Die Erfindung besieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des
Schichtaufbaus bei der Erzeugung optisch wirksamer Dünnschichten
im Vakuum auf Substraten unter kontinuierlicher Messung des optischen VernaJtens der niedergeschlagenen
Schicht, wobei das optische Verhalten in proportionale elektrische
Signale umgesetzt und diese Signale einem Differenzier-Vorgang
unterzogen werden.
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·" £a mm
Unter dem Ausdruck "optisches Verhalten" werden im vorliegenden
Zusammenhang die Beeinflussung der Amplitude,
Phase und der spektralen Abhängigkeit des zur Messung dienenden Lichtes durch die betreffende Schicht verstanden.
Niedergeschlagene, optisch v/irksame Schichten verändern zum Beispiel Transmission, Reflexion, Phase
und Polarisationszustand des Meßlichts. Diese Wirkungen können zu Meßzwecken im nachstehend beschriebenen
Umfange verwendet werden.
Durch die DT-AS 1 548 262 ist es bekannt, das Transmissions-
bzw. Reflexionsverhalten der nejTdergeschlagenen Schicht
mittels eines Lichtstrahls bzw. -bündeis zu bestimmen. Das Ergebnis einer solchen Messung wird im allgemeinen dazu
benutzt, den AufdampfVorgang nach Erzielung bestimmter
Schichteigenschaften zu unterbrechen. Eine sehr exakte
Unterbrechung des Aufdampfvorganges ist damit jedoch nicht möglich, da die Erhaltung und Auswertung des Meßergebnisses
und die Unterbrechung des Dampfstromes mit einer Zeitdifferenz behaftet sind, so daß ein nachträgliches Aufwachsen
der Schicht nicht sichel' verhindert werden kann.
Durch die DT-AS 1 214 97o ist es weiterhin bekannt, den
Schichtaufbau zeitabhängig dadurch zu verfolgen und den AufdampfVorgang abzubrechen, daß man das Transmissionsoder
Refie>:ions\yerhalten monochromatischen Lichts kontinuierlich
verfolgt und die Maxima bzw. Minima auszählt. Die Anzahl der Maxima bzw. Minima läßt in Abhängigkeit
von der Weilenlänge des verwendeten Lichtes auf die Dicke der Schicht schliessen. Um die Lage der Maxima und Minima
genauer erfassen zu können, wird in der genannten Druckschrift der Rat erteilt, die einen bestimmten Kurvenver-
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lauf aufweisende Maxima und Minima mittels einer an sich bekannten Differenzierschaltung zu ermitteln. Die bekannte
Anordnung ist aber nur für solche Schichten brauchbar, die eine Viertel— Wellenlänge des benutzten Meßlichts
oder ein ganzzahliges Vielfaches davon besitzen. Es handelt sich hierbei um ein Meß- und Regelverfahren für sogenannte
Α./ -4-Schichten.
Unter dem Begriff "optisch wirksame Schichten" sollen im vorliegenden Zusammenhang alle Schichten verstanden werden,
welche die optischen Eigenschaften des Substrats verändern.
Es kann sich dabei beispielsweise um reflexmindernde
Schichten, um Filterschichten auf Linsen und anderen Gläsern handeln, die einen Teil elektromagnetischer Strahlung im
sichtbaren und/oder unsichtbaren Bereich reflektieren bzw. durchlassen. Der im vorliegenden Zusammenhang interessante
Wellenlängenbereich erstreckt sich von Ultraviolett bis ins ferne Infrarot. Die optische Wirksamkeit bezieht sich dabei
vor allem auf verlustarme Amplitudenveränderungen der reflektierten oder durchgelassenen Strahlung. Ferner sollen
darunter Schichten verstanden werden, die die Phase oder den Polarisationszustand des zur Messung verwendeten Lichtes
verändern.
Optisch wirksame Schichten können sowohl eine homogene, oder in einer Einzelschicht inhomogene Zusammensetzung haben,
als auch aus einer Kombination einer Vielzahl von niedrig- und hochbrechenden Schichten bestehen, wie sie beispielsweise
bei den sogenannten Interferenz-Filtern vorkommen, die die bemerkenswerte Eigenschaft besitzen, Fehler in der
Dicke einzelner Schichten sehr \veitgehend zu kompensieren,
sofern die Einzelschichten die optische Dicke von Viertel-Wellenlängen
des zur Messung verwendeten Lichtes oder viel-
- 4 -. 609809/0171
fache davon haben. Dies setzt jedoch voraus, daß die darauffolgende
Schicht zusammen mit den vorhergehenden Schichten bis zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften aufwächst.
Es sind somit nicht die Eigenschaften der einzelnen Schicht,
sondern die Wirkung der jeweiligen Gesamtheit der Schichten für die erreichte Wirkung maßgebend. Daraus folgt, daß insbesondere
Mehrfachschichten der angegebenen Art nur durch Anwendung optischer Meßverfahren, nicht aber mechanischer
Meßverfahren mit den gewünschten engen Toleranzen herstellbar sind.
Im Hinblick auf die Gesamteigenschaften optisch wirksamer
Dünnschichten werden in letzter Zeit zunehmend engere Toleranzen gefordert. Dies setzt voraus, daß das Herstellverfahren
für die betreffenden Schichten in hohem Maße reproduzierbar ist, um mit gleichem Erfolg Schichten von stets
gleichbleibender Beschaffenheit zu erhalten. Dies gilt
nicht nur für die zahlreichen Oberflächenschichten komplizierter optischer Systeme, sondern vor allem auch für
Brillengläser, insbesondere Sonnenschutzgläser. Es versteht sich, daß beispielsweise beim Bruch eines Brillenglases
der Ersatz durch ein Glas mit anderen optischen Eigenschaften undenkbar ist. Farbunterschiede sind besonders
untragbar.
Für bestimmte Schichtkombinationen, wie sie etwa für breitbandige Entspiegelungsschichten Verwendung finden, sind aber
nicht nur Schichtdicken, die als ganzzahlige Vielfache von Viertel—Wellenlängen dargestellt werden können, von Interesse,
sondern ebenfalls solche, deren Dicke ein Vielfaches von JX_/ ■ 8 beträgt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem \ / 8-Schichten von hoher Reproduzierbarkeit
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sämtlicher Eigenschaften bei einfachster Bedienung der
Aufdampfvorrichtung erreicht werden können» Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen
Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß das differenzierte
Signal einem zweiten Differenziervorgang unterworfen wird, wobei die 0 - Durchgänge erfaßt und dazu verwendet werden,
den Aufdampfvorgang zu unterbrechen. Die Unterbrechung
des Aufdampfvorganges kann entweder dadurch erfolgen, daß
der O-Durchgang dazu verwendet wird, die Energiezufuhr zum Verdampfer zu unterbrechen. Diese Maßnahme ist besonders
einfach und wirkungsvoll im Zusammenhang mit Verdampfern, die eine außerordentlich geringe Trägheit bei der Dampferzeugung
besitzen. Hierzu gehören insbesondere Elektronenstrahlverdampfer,
bei denen der Elektronenstrahl unmittelbar auf das Verdampfungsgut auftrifft. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist aber auch mit Vorteil bei sogenannten thermischen Verdampfern einsetzbar, die aufgrund gespeicherter
Wärme eine gewisse Trägheit besitzen. In diesem Fall wird gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen,
daß der O-Durchgang dazu verwendet wird, eine Blende in den Dampfstrahl zu schwenken.
Das erfindungsgemäße Regelverfahren ermöglicht aber vor allem
die Bedienung einer entsprechenden Aufdampfanlage durch
nichtv/issenschaf tlich vorgebildetes Personal, ohne daß hierdurch die Ausschußrate erhöht würde.
Die kontinuierliche Meßung des Reflexions- bzw. Transmissiohsverhaltens
einer optischen Schicht führt insbesondere unter Verwendung von monochromatischem Licht zu Meßwerten, die
einen solchen zeitabhängigen Verlauf haben, daß sich beispielsweise die Reflexion der Schicht bis zur Dicke einer
Viertel—Wellenlänge des für die Meßung verwendeten Lichtes
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verringert, dann bis zu einer Dicke der Schicht von einer halben Wellenlänge wieder auf den ursprünglichen Wert ansteigt und danach bis zu einer Dicke der Schicht entsprechend
einer Dreiviertel Wellenlänge wieder abnimmt und sofort. Die Entstehung einer solchen Meßkurve ist in der
DT-AS 1 214 97.O näher beschrieben. Die Verwendung derartiger Meßergebnisse für die Regelung, Steuerung bzw.
Beeinflußung von λ/ 8-Schichtdicken stößt jedoch auf
Schwierigkeiten. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die betreffende Kurve für X/ 8-Schichten sehr flache
Maxima bzw, Minima aufweist, die eine exakte zeitliche
Begrenzung des Aufdampfvorganges in den Maxima bzw. Minima nicht ermöglicht. Durch Bildung des zeitlichen, zweitqn
Differentialquotienten wird jedoch erreicht, daß die betreffende
Kurve an den Maxima bzw. Minima einen Nulldurchgang besitzt, der für Abschalt- und 1 Steuerzwecke
außerordentlich gut verwertbar ist. Der Nulldurchgang kann zur präzisen Beendigung des Aufdampfvorganges
jeder einzelnen Schicht benutzt v/erden.
Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
besteht aus einem in einer Vakuumkammer angeordneten Verdampfer und einem diesem zugeordneten Substrathalter,
aus einer Einrichtung zur kontinuierlichen Messung und Differenzierung des optischen Verhaltens der Schicht
während ihres Aufbaus» Sie ist gemäß der weiteren Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung zur Differenzierung
eine zweite Einrichtung zur Bildung des zweiten Differentialquotienten
nachgeschaltet ist, wobei der Ausgang der ersten Differenziereinrichtung einer Vergleichseinrichtung und
einem Stellglied zur Beeinflußung der Verdampferleistung
aufgeschaltet ist. Alternativ kann unter Berücksichtigung
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der obigen Gegebenheiten der Ausgang der Vergleichseinrichtung einem Stellglied für eine in den Dampfstrom einschwenkbare
Blende aufgeschaltet sein. Der Vergleichseinrichtung
ist im allgemeinen ein Sollwert-Funktionsgenerator entgegengesch-ltet, der nachfolgend nur kurz als
Sollwertgenerator bezeichnet wird. Die Auslegung des Sollwertgenerators erfolgt durch entsprechende Wahl
elektrischer und/oder mechanischer Elemente. Die Kurvenform
des Ausgangssignals wird aufgrund der bereits beschriebenen
theoretischen Erwägungen bestimmt, wonach sich die Transmission bzw. Reflexion mit wachsender Schicht
nach einer Sinus- bzw. die Ableitung nach der Zeit nach einer Kosinusfunktion und die zweite Ableitung wiederum
nach einer Sinusfunktion ändern. Der zeitabhängige Verlauf der Kurve kann beispielsweise auf empirischem Wege
gefunden werden, wie durch statistische Untersuchungen bzw. Analysen während und/oder nach der Herstellung
optisch wirksamer Schichten. Größenordnungsmäßig benötigt man für den Durchgang einer Halbwelle, d.h. den Aufbau
einer Schicht von der Dicke einer Achtel—Wellenlänge des verwendeten Lichtes eine Zeit von wenigen Minuten.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung
und seine Wirkungsweise seien anhang der Figur nachfolgend:! näher erläutert.
In der Figur sind mit Io Substrate (optische Linsen) bezeichnet,
auf denen die aufzudampfende Schicht niedergeschlagen
wird. Die Substrate sind mit Hilfe von nicht dargestellten Krallen in eino?Haltevorrichtung 12 befestigt,
die aus einem kalottenförmigen Teller 13 mit entsprechenden
Ausnehmungen und einer in der Höhe verstellbaren Stange besteht. Unterhalb der Substrate Io ist ein sogenannter
.. 8 — 609809/0171
- jr-
thermischer Verdampfer 15 für die Verdampfung des Aufdampfmaterials
angeordnet, der auf zwei Bolzen 16 und 17 ruht, die gleichzeitig als Stromzuführung dienen und mittels
Vakuumdurchführungen 19 und 2o durch eine Grundplatte 18 hindurchgeführt sind. Die genannten Teile sind von einer
vakuumdichten Glocke 21 umgeben, die sich unter Zwischenschaltung einer Ringdichtung 22 auf der Grundplatte 18
abstützt. Ein für den Bedampfungsprozeß ausreichendes
-5
Vakuum von beispielsweise 2 χ Io Torr wird mittels einer Pumpvorrichtung bewirkt, die über eine Rohrleitung 23 mit der Grundplatte 18 in Verbindung steht.
Vakuum von beispielsweise 2 χ Io Torr wird mittels einer Pumpvorrichtung bewirkt, die über eine Rohrleitung 23 mit der Grundplatte 18 in Verbindung steht.
Den Heizstrom für den Verdampfer 15 liefert eine Stromquelle, welche über die Anschlußklemmen 24 an einen Leistungssteiler
25, der als Stelltransformator ausgebildet ist, angeschlossen ist. An den Leistungssteiler 25 ist
ein Transformator 26 angeschlossen, mit dem die Heizspannung
auf einen Wert heruntertransformiert wird, welcher bei der gegebenen elektrischen Leitfähigkeit des Verdampfers
15 zu der erforderlichen Heizleistung führt.
In der Glocke 21 ist außer/Ien bereits genannten Teilen
eine von einem Gehäuse umgebene Lichtquelle 4o angeordnet, die einen gebündelten Lichtstrahl 41 aussendet. Der Lichtstrahl
trifft auf eines der Substrate Io auf und wird an diesem in einen reflektierten Anteil 41a und einen durchgehenden
Anteil 41b zerlegt. Der reflektierte Anteil 41a wird einem Fotoempfänger 42, der durchgehende Anteil 41b
einem Fotoempfänger 43 zugeführt. Es ist möglich, sowohl den Meßwert des einen oder des anderen Fotoempfängers für
die Auswertung zu übernehmen, als auch die kombinierten Ausgangssignale toeider Fotoempfänger gemeinsam, z.B. zum
Zwecke einer Differenzenbildung für die Bestimmung der
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Absorption auszuwerten. Die Ausgänge der Fotoempfänger 42 bzw. 43 sind über Leitungen 44 bzw. 45 einem Verstärker
und nachfolgend über eine Leitung 47 einem Differenzierglied 48 aufgeschaltet, in dem der erste Differentialquotient der Meßwerte gebildet wird.
Der Ausgang des ersten Differenziergliedes 48 ist über eine
Leitung 49 einer zweiten Einrichtung 5o zur Bildung des zweiten Differentialquotienten aufgeschaltet. Der Ausgang
der ersten Einrichtung 48 ist außerdem über eine Leitung 51 einer Vergleichseinrichtung 52 aufgeschaltet, der ein
Sollwert-Funktionsgenerator 53 über eine Leitung 54 entgegengeschaltet ist. Zusätzlich kann der Vergleichseinrichtung
52 über eine Leitung 55 noch ein Programmgeber aufgeschaltet sein, durch den beispielsweise der Beginn
des Aufdampfvorganges automatisch geregelt bzw. gesteuert wird. Die Einrichtungen 48 bzw. 5o zur Bildung
des ersten und zweiten Differentialquotienten können in
ihrer einfachsten Form aus RC-Gliedern bestehen.
Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 52 ist über eine Leitung 57 einem Stellglied 37 aufgeschaltet, das im vorliegenden
Falle als Servomotor ausgeführt ist, der über eine Einstellwelle 38 mit der Verstellvorrichtung des
Leistungsstellers 25 für den Verdampfer 15 gekoppelt ist.
Die zweite Differenziereinrichtung 5o ist über eine Leitung
58/6o einem Stellglied 61 aufgeschaltet, das über eine Betätigungswelle
62 eine scheibenförmige Blende 63 antreibt, durch welche der Verdampfer 15 vollständig abgedeckt
werden kann. Beim Entstehen eines entsprechenden Schaltimpulses im Programmgeber 56 wird über die gestrichelt dargestellte
Leitung 58a ein Signal an das Stellglied 61 übermittelt, wodurch die Blende 63 geöffnet wird, so daß der
eigentliche Aufdampfvorgang beginnen kann.
BAD ORIGINAL 609809/Ü171 - Io -
Die Wirkungsweise der Gesamtanordnung ist folgender Nach Beschickung des Verdampfers 15 und des Substrathalters
12 sowie Evakuierung der Glocke 21 ist die Blende 63 zunächst noch geschlossen. Aufgrund des durch den
Programmgeber 56 vorgegebenen, festen Leiotungsprogramms,
wird die Leistung des Verdampfers 15 auf einen entsprechenden Wert eingeregelt. Die Vorgabe erfolgt in der
Weise, daß ein Vorheizen und Aufschmelzen des Verdampfungsgutes sicher bewirkt wird. Sobald der Schaltimpuls im
Programmgeber 56 gebildet A^ird, öffnet sich die Blende 63,
©o daß der Aufdampfvorgang beginnt. Sobald sich nunmehr
aufgrund der oben angegebenen Schaltungsanordnung am Ausgang der zweiten Einrichtung zur Bildung des zweiten
Differentialquotienten 5o, d.h. in der Leitung 51 aufgrund des Vergleichs in der Vergleichseinrichtung 52 ein
Nulldurchgang einstellt, erfolgt entweder eine spontane Leistungsunterbrechung des Verdampfers 15 über die Leitung
57 und das Stellglied 37 bzw. dem Leistungssteller 25 und/oder übör die Leitung 58, das Stellglied 61 im
Hinblick auf einen vollständigen Verschluß des Verdampfers 15 durch die Blende 63. Da der Nulldurchgang exakt nach
Vollendung einer Schicht von der Dicke λ/ 8 auftritt, wird auf diese Weise eine exakte Einhaltung der gewünschten
Schichtdicke gewährleistet.
In der dargestellten Anordnung ist ein Schalter 65 im Zuge
der Leitung 58 geschlossen, so daß die Anordnung in der vorstehend beschriebenen Weise funktioniert. Wird der
Schalter 65 so umgelegt, daß er den Kontakt zur Leitung bzw. zum ersten Differenzierglied 48 herstellt, so kann
die gleiche Anoi'dnung zur Steuerung beim Aufbau von
/\/4 - Schichten verwendet werden.
BAD ORIGINAL
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Claims (5)
1. Verfahren zur Regelung des Schichtaufbaus bei der Erzeugung
optisch wirksamer Dünnschichten im Vakuum auf Substraten unter kontinuierlicher Messung des optischen
Verhaltens der niedergeschlagenen Schicht, wobei das optische Verhalten in proportionale elektrische Signale
umgesetzt und diese Signale einem Differenziervorgang unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das
differenzierte Signal einem zweiten Differenziervorgang
unterworfen wird, wobei die Nulldurchgänge erfaßt und dazu verwendet werden, den AufdampfVorgang zu
unterbrechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nul.ldurchgang dazu verwendet wird, die Energiezufuhr
zum Verdampfer zu unterbrechen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulldurchgang dazu verwendet wird, eine Blende (63)
in den Dampfstrahl zu schwenken.
4. Anordnung zur Durchführung des Regelverfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem in einer Vakuumkammer
angeordneten Verdampfer und einem diesem zugeordneten Substrathalter, aus einer Einrichtung zur kontinuierlichen
Messung und Differenzierung des optischen Verhaltens
der Schicht während ihres Aufbaus, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (48) zur Differenzierung
eine zv/eite Einrichtung (5o) zur Bildung des zweiten Differentialquotienten nachgeschaltet ist, wobei der
Ausgang der ersten Differenziereinrichtung einer Vergleichseinrichtung
(52) und einem Stellglied (37) zur Beeinflußung der Verdampferleistung aufgeschaltet ist.
- 12 609809/0171
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Differenzierglied 48 und dem
zweiten Differenzierglied 5o ein Schalter 65 angeordnet
ist, durch welchen die Leitung 6o wahlweise entweder dem ersten Differenzierglied 48 (zur Steuerung
des Schichtaufbaus von Λ/4 - Schichten) oder dem
zweiten Differenzierglied 5o (zur Steuerung des Schichtaufbaus von ^/8-Schichten) aufschaltbar ist.
609809/0171
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DE19742438963 DE2438963A1 (de) | 1974-08-14 | 1974-08-14 | Verfahren und anordnung zur regelung des schichtaufbaus bei der erzeugung optisch wirksamer duennschichten |
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---|---|---|---|
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---|---|
DE2438963A1 true DE2438963A1 (de) | 1976-02-26 |
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ID=5923159
Family Applications (1)
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1975
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- 1975-08-14 JP JP9904075A patent/JPS5145683A/ja active Pending
Also Published As
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Legal Events
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---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |