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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem
und, im Speziellen, auf die Steuerung der Verdampfungsquelle in
einem solchen Ablagerungssystem.
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Hintergrund
der Erfindung
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Mehrschichtige
Dünnfilmstrukturen,
die auf einem Substrat abgelagert werden, werden in mikroelektronischen
Anwendungen und in optischen Anwendungen, wie z.B. in Fabry-Perot-Filtern,
auf breiter Front verwendet. Die Schichten können Metalle oder anorganische
Nicht-Metalle sein. Bei einem Vorgehen, um mehrschichtige Dünnfilmstrukturen
herzustellen, werden mehrere Verdampfungsquellen in eine Vakuumkammer
gebracht, wobei jede Verdampfungsquelle eine Sichtlinie zum Substrat
hat. Eine Vielzahl von dünnen
Schichten mit verschiedenen Zusammensetzungen werden nacheinander
auf das Substrat von den verschiedenen Verdampfungsquellen abgelagert.
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Bei
Materialien, die bezogen auf die Verdampfung instabil sind (verdampfungsinstabil),
ist es besonders schwierig, diese in kontrollierter Art und Weise
zu verdampfen und auf dem Substrat abzulagern. Solche Materialien
sind instabil, weil sie z.B. eine schnelle und/oder nicht-lineare Änderung
bei der Verdampfungsrate in Abhängigkeit
von der zugeführten
Leistung zeigen, weil sie sublimieren oder weil sie einen geringen
Unterschied zwischen der Schmelztemperatur und der Verdampfungstemperatur
haben. Viele wichtige Materialien, die bezogen auf die Verdampfung
instabil sind, sind anorganische Nicht-Metalle, wie z.B. Glasarten,
Keramikarten oder Halbleiter.
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Ein
bekanntes Vorgehen, um Materialien abzulagern, die bezogen auf die
Verdampfung instabil sind, ist die Verwendung von Wärmequellen,
wobei das verdampfungsinstabile Material in einem Schmelztiegel
positioniert wird, der auf eine ausreichend hohe Temperatur aufgeheizt
wird, um zu erreichen, dass das verdamp fungsinstabile Material verdampft
und zum Substrat gelangt. Solche Wärmequellen sind bei der Ablagerung
von Dickfilmen verwendbar und sehr nützlich, aber es ist schwer,
sie bei den stets wechselnden Bedingungen bei der Dünnfilm-Ablagerung
und bei vielen verdampfungsinstabilen Materialien zu verwenden.
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Eine
Alternative ist es, die Elektronenstrahl-Verdampfung zu verwenden.
Bei einem Elektronenstrahl-Ablagerungssystem gehört zu einer Verdampfungsquelle
ein Ablagerungsmaterial und eine steuerbare Elektronenstrahlquelle,
die einen Elektronenstrahl auf die freiliegende Oberfläche des
Ablagerungsmaterials lenkt. Der Elektronenstrahl heizt die Oberfläche des
Ablagerungsmaterials auf, so dass es nach und nach verdampft und
auf dem Substrat abgelagert wird. Mit der Zeit erhöht sich
die Dicke der Ablagerung auf einen gewünschten Wert. Für die Dünnfilm-Ablagerung
hat die Elektronenstrahl-Ablagerung den Vorteil, dass die Verdampfung
schnell startet und schnell beendet werden kann, indem man die Leistung
und den Ort des Strahls steuert.
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Die
Elektronenstrahl-Verdampfung kann jedoch schwer zu steuern sein,
insbesondere bei der Ablagerung von verdampfungsinstabilen Materialien, wie
z.B. einige anorganische nicht-metallische Materialien. Der gewöhnliche
Ansatz der Steuerung ist es, die Dicke des abgelagerten Films auf
einem überwachten
Substrat kontinuierlich zu überwachen,
wobei das überwachte
Substrat verschieden von dem Substrat des tatsächlich hergestellten Gegenstands ist.
Die Änderung
der Dicke wird verwendet, um die Leistungszuführung an die Elektronenstrahlquelle
zu steuern, die die nachfolgende Verdampfungsrate bestimmt. Obwohl
dieser Ansatz für
metallische Materialien erfolgreich eingesetzt wurde, hat er Nachteile für die Ablagerung
von verdampfungsinsta bilen Materialien. Solche Materialien zeigen
ein instabiles Verhalten bei dem Ablagerungsprozess und bei der Ablagerungsrate,
so dass eine Steuerung, die auf der Dickenmessung der Ablagerung
auf dem überwachten
Substrat beruht, zu einer falschen Dicke auf dem tatsächlich gefertigten
Gegenstand führen
kann.
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Es
besteht Bedarf für
ein besseres Vorgehen für
die Ablagerung von verdampfungsinstabilen Materialien um Dünnfilmstrukturen
herzustellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und offeriert in
diesem Zusammenhang weitere Vorteile.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem
mit einer verbesserten Steuereinrichtung bereit, die eine sehr präzise Steuerung
der Verdampfung erreicht. Dieser Ansatz lässt sich bei allen verdampfbaren
Materialien verwenden, aber lässt
sich besonders vorteilhaft einsetzen, um verdampfungsinstabile nicht-metallische
Materialien, wie z.B. potenziell instabile Keramiken, Glas und Halbleiter
für mehrschichtige
dünne Filme
zu verdampfen.
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Mit
Hinblick auf die Erfindung weist ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem
eine Verdampfungsquelle auf, die ein Quellenziel mit einem Zielort, an
dem ein Ablagerungsmaterial positioniert werden kann, und eine steuerbare
Elektronenstrahlquelle hat, die angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl
auf den Zielort zu lenken. (Unter dem Quellenziel ist der Ort zu
verstehen, auf den die Elektronenstrahlquelle gerichtet ist bzw.
zielt.) Eine Überwachungseinrichtung
für einen
nachlaufenden Indikator misst die zurückliegende Verdampfungsleistung
der Verdampfungsquelle und hat ein Ausgangssignal für den nachlaufenden
Indikator. Die Überwachungseinrichtung
für den
nachlaufenden Indikator ist vorzugsweise eine Ablagerungsüberwachungseinrichtung,
die eine Ablagerung des Ablagerungsmaterials auf einem überwachten
Substrat misst. Das Elektronenstrahl-Ablagerungssystem hat außerdem eine Überwachungseinrichtung
für einen
vorlaufenden Indikator, die die zukünftige Verdampfungsleistung
der Verdampfungsquelle misst und ein Ausgangssignal für den vorlaufenden
Indikator hat. Die Überwachungseinrichtung
für den
vorlaufenden Indikator ist vorzugsweise eine Helligkeitsüberwachungseinrichtung, die
eine Helligkeit des Ablagerungsmaterials in der Verdampfungsquelle
misst. Eine Steuereinrichtung empfängt das Ausgangssignal des
nachlaufenden Indikators und das Ausgangssignal des vorlaufenden Indikators
und steuert die Elektronenstrahlquelle in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal
des nachlaufenden Indikators und von dem Ausgangssignal des vorlaufenden
Indikators. Die Steuereinrichtung steuert bevorzugt eine Größe des Flecks
(spot size) und eine Position des Elektronenstrahls auf dem Zielort. (Die
Größe des Flecks
des Elektronenstrahls bezieht sich auf den Punkt seines Auftreffens
auf dem Zielort.)
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Das
aufgezeigte Vorgehen wird am vorteilhaftesten verwendet bei der
Ablagerung von einem anorganischen Nicht-Metall, wie z.B. einer
Keramik, einem Glas oder einem Halbleiter, obwohl das Vorgehen darauf
nicht beschränkt
ist und allgemeiner anwendbar ist. Viele solcher anorganischen Nicht-Metalle
sind verdampfungsinstabil, so dass die Vorteile des vorliegenden
Vorgehens für
diese Materialien am größten sind.
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Die
Steuerungseinrichtung steuert die Elektronenstrahlquelle vorzugsweise
in Abhängigkeit
von einer zeitlichen Änderungsrate
des Ausgangssignals des vorlaufenden Indikators, statt in Abhängigkeit von
seinem absoluten Wert. Die zeitliche Änderungsrate des vorlaufenden
Indikators ist ein empfindliches Maß für seinen zeitlich nahe liegenden,
zukünftigen Wert.
Die Steuereinrichtung kann die Elektronenstrahlquelle optional in
Abhängigkeit
von einer logarithmischen Funktion einer zeitlichen Änderungsrate des
Ausgangssignals des nachlaufenden Indikators und/oder einer logarithmischen
Funktion des Ausgangssignals des nachlaufenden Indikators steuern. Die
Verwendung der logarithmischen Funktion, die auf einfache Weise
durch die Verwendung eines logarithmischen Verstärkers erzielt werden kann,
linearisiert wirksam die Skala und erlaubt eine stabile Steuerung
in einem breiten Bereich von Werten.
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Das
hier gezeigte Vorgehen kann durch die Verwendung von Lichtfasertechniken
implementiert werden. Bei diesem Vorgehen weist das Elektronenstrahl-Ablagerungssystem
ein Lichtfaserbündel
mit einem ersten Lichtfaserteilbündel
und einem zweiten Lichtfaserteilbündel auf. Die Überwachungseinrichtung
für den
nachlaufenden Indikator weist das erste Lichtfaserteilbündel auf,
das ein optisches Dickensignal (thickness optical signal) von dem überwachten Substrat
empfängt
in Abhängigkeit
von einer Dicke von einer Ablagerung des Ablagerungsmaterials auf dem überwachten
Substrat. Es handelt sich bei dem optischen Dickensignal also um
ein Signal, das die Dicke der Ablagerung repräsentiert. Die Überwachungseinrichtung
für den
vorlaufenden Indikator weist das zweite Lichtfaserteilbündel auf,
das ein optisches Helligkeitssignal empfängt in Abhängigkeit von einer Helligkeit
des Ablagerungsmaterials in der Verdampfungsquelle.
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Das
gezeigte Vorgehen bei der Steuerung basiert auf der Verwendung sowohl
von nachlaufenden als auch von vorlaufenden Indikatoren der Verdampfungsleistung,
um die Elektronenstrahlquelle der Verdampfungsquelle zu steuern.
Der nachlaufende Indikator ist vorzugsweise als die Ablagerungsrate des
verdampften Ablagerungsmaterials auf dem überwachten Substrat gewählt. Die
Information, die aus der tatsächlichen
Ablagerungsrate gewonnen wurde, repräsentiert die Ablagerungsrate
zu einem früheren
Zeitpunkt, der bezüglich
der aktuellen Ablagerung um eine halbe bis eine Sekunde verschoben ist.
Obwohl diese Zeitverschiebung nicht groß ist, hat die Erfahrung gezeigt,
dass Versuche, die Ablagerung von potenziell instabilen nicht-leitenden Nicht-Metallen nur auf
der Grundlage dieses nachlaufenden Indikators zu steuern, zu nicht
zufrieden stellenden Ergebnissen führen.
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Das
hier gezeigte Vorgehen verwendet daher auch den vorlaufenden Indikator.
Der vorlaufende Indikator ist ein Vorhersagewert (predictor) der
Ablagerungsrate in der nahen Zukunft. Der ausgewählte und bevorzugte vorlaufende
Indikator ist die Helligkeit der Oberfläche des Ablagerungsmaterials,
das verdampft wird. Die Helligkeit von der Oberfläche ist eine
Funktion der Temperatur der Oberfläche, und die Verdampfungsrate
von der Oberfläche
ist auch eine Funktion von der Temperatur der Oberfläche. Wo
sich die Helligkeit ändert,
folgt die Änderung
der Verdampfungsrate der Helligkeitsänderung ein bisschen, so dass
die Helligkeitsänderung
einen vorlaufenden Indikator für
die Verdampfungsrate bereitstellt, die in Kürze zu beobachten sein wird.
Daher kann durch die Messung der Helligkeit der Oberfläche die
nachfolgende Verdampfungsrate vorhergesagt werden. Indem man die
Helligkeit der Oberfläche ändert, kann
die nachfol gende Verdampfungsrate so verändert werden, dass ein Sollwert
der Verdampfungsrate gehalten wird.
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Anders
formuliert bedeutet dies, dass durch die Verwendung des nachlaufenden
Indikators für den
absoluten Wert der Verdampfungsrate und des vorlaufenden Indikators
für Änderungen
des absoluten Werts der Ablagerungsrate eine bessere Steuerung der
Ablagerungsrate erreicht wird. Diese Steuerung erlaubt es, dass
sich instabile Zustände
schnell korrigieren lassen, was zu einem stabileren Verdampfungssystem
führt.
Daher können
potenziell instabile nicht-leitende Materialien in einer genau kontrollierten
Art und Weise verdampft werden.
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Die
Steuereinrichtung steuert vorzugsweise die Größe des Flecks des Elektronenstrahls
auf dem Ziel. Die Größe des Flecks
kann schnell und präzise moduliert
werden, wodurch eine dynamische Änderung
in der Verdampfungsrate erzielt wird. Eine Reduzierung der Größe des Flecks
ohne den Leistungspegel zu ändern,
erhöht
die Leistungsdichte auf dem Zielort, wodurch die Verdampfungsrate
unverhältnismäßig zur
Reduzierung der Größe des Flecks
erhöht wird.
Eine Erhöhung
der Größe des Flecks
reduziert die Verdampfungsrate in ähnlicher Art und Weise. Daher,
obgleich der Leistungspegel des Elektronenstrahls geändert werden
kann, dauert es bei dieser Änderung
länger,
dass sich ein Effekt bei der Verdampfungsrate einstellt, als es
bei der Änderung
der Größe des Flecks
der Fall ist. Die Verwendung des vorlaufenden Indikators und des
nachlaufenden Indikators in dem Steuerungssystem in Verbindung mit der
Modulation des Elektronenstrahldurchmessers ermöglicht es, die Ablagerung von
Ablagerungsmaterial präzise
zu steuern, selbst für
verdampfungsinstabile Materialien.
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Zusätzlich steuert
die Steuereinrichtung vorzugsweise den Ort des Elektronenstrahls
auf dem Quellenziel. Eines der Probleme, die man bei der konventionellen
Elektronenstrahl-Ablagerung von einigen anorganischen nicht-metallischen
Materialien, wie z.B. Quarz, bemerkt hat, ist, dass sich nach einer Zeitdauer
der Ablagerung eine uneinheitliche/unregelmäßige Oberfläche auf dem Quellenziel ergibt. Wellungen
und andere Unregelmäßigkeiten
auf der Zieloberfläche,
die im Zusammenhang mit Instabilitäten bei der Verdampfung stehen,
führen
zu Änderungen
bei der Rate und bei den Eigenschaften der abgelagerten Schichten.
Bei dem vorliegenden Vorgehen wird die Stelle des Elektronenstrahls
auf dem Quellenziel bewegt, um eine relativ flache Oberfläche auf
dem Quellenziel zu erreichen. Die entstehende Dampffahne (plume)
aus verdampftem Material ist daher stabiler im Vergleich zu früheren Vorgehensweisen.
Die Ablagerungsoberfläche
ist üblicherweise für das Auge
auch ohne Unterstützung
sichtbar, so dass das Beibehalten der Oberflächenform und die Flachheit
der Ablagerungsoberfläche überprüft werden
kann. Quantitative Techniken können
auch verwendet werden, wenn gewünscht.
Das Quellenziel kann mechanisch rotiert werden, um diese Steuerung
zu unterstützen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden
detaillierteren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
hervor, in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, die in
der Art eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung zeigen. Der
Bereich der Erfindung ist aber nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Elektronenstrahl-Ablagerungssystems
im Hinblick auf das vorliegende Vorgehen;
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Elektronenstrahl-Ablagerungssystems
im Hinblick auf das vorliegende Vorgehen;
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Verdampfungsquelle; und
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4 zeigt
ein Blockschaltbild eines Vorgehens zur Steuerung der Elektronenstrahl-Ablagerungssysteme
gemäß der 1 und 2.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 und 2 stellen
zwei Ausführungsbeispiele
eines Elektronenstrahl-Ablagerungssystems 20 dar. Die zwei
Elektronenstrahl-Ablagerungssysteme 20 sind
sich ähnlich.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf beide, ausgenommen
jener Unterschiede, die hier noch erläutert werden.
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Eine
Verdampfungsquelle 22 hat ein Quellenziel 23 mit
einem Zielort 24, an dem ein Ablagerungsmaterial 26 positioniert
werden kann. Das Ablagerungsmaterial 26 kann ein Metall
oder ein Nicht-Metall sein. Es ist bevorzugt, dass das Ablagerungsmaterial 26 ein
anorganisches Nicht-Metall ist, wie z.B. eine Keramik, ein Glas
oder ein Halbleiter. Die gezeigte Vorgehensweise lässt sich
sowohl bei Metallen als auch bei Nicht-Metallen anwenden, und zudem
bei elektrischen Leitern und Nicht-Leitern, aber seine größten Vorteile
können
genutzt werden, wo das Ablagerungsmaterial 26 ein anorganisches nicht-metallisches
Material und von relativ geringer elektrischer Leitfähigkeit
ist. Dies ist darin begründet, dass
solche Materialien dazu tendieren, besonders empfänglich für die Instabilitäten bei
der Verdampfung während
der Elektronenstrahl-Ablagerung zu sein, die durch die vorliegende
Vorgehensweise überwunden
werden. Die Änderung
der elektrischen Leitfähigkeit
kann Probleme hervorrufen, wo – wie beispielsweise
mit Siliziumdioxid als Ablagerungsmaterial 26 – die elektrische
Leitfähigkeit
sehr gering ist, wenn das Siliziumdioxid fest ist, aber plötzlich sehr
groß wird,
wenn die Verdampfung beginnt. Auch eine geringe thermische Leitfähigkeit
ruft Probleme hervor, weil es dort nur eine geringe Vorwärmung von naheliegenden
Bereichen des Ablagerungsmaterials 26 vor ihrer Verdampfung
gibt. Zu solchen Instabilitäten
zählt man
z.B. große Änderungen
der Verdampfungsrate bei kleinen Änderungen des Leistungspegels
der Verdampfung und Unregelmäßigkeiten
der Oberfläche
des Ablagerungsmaterials 26 am Zielort 24, die
zu räumlichen
Ungleichmäßigkeiten
bei den abgelagerten Schichten führen.
Bei einer höchst
interessanten Anwendung ist das Ablagerungsmaterial 26 Quarz,
bei dem es sich um ein anorganisches Nicht-Metall handelt, das sehr
nützlich
und gebräuchlich
bei Anwendungen für
mehrschichtige Dünnfilme ist,
das aber mittels konventioneller Techniken der Elektronenstrahl-Ablagerung
schwer abzulagern ist.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, und mit mehr
Detail in der 3, hat die Verdampfungsquelle 22 des
Weiteren eine steuerbare Elektronenstrahlquelle 28, die
angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl 30 auf den Zielort 24 auf
dem Quellenziel 23 zu lenken und damit auf das Ablagerungsmaterial 26,
wenn es sich am Zielort 24 befindet. Wenn der Elektronenstrahl 30 mit
ausreichender Energie auf das Ablagerungsmaterial 26 auftrifft,
wird ein Bereich der Oberfläche
des Ablagerungsmaterials 26 erhitzt, verdampft als Verdampfungsstrahl 32 und
lagert sich auf einem Substrat 34 ab (und auch anderswo).
Wie in der 3 gezeigt, hat die Elektronenstrahlquelle 28 einen
steuerbaren Kathodendraht 100 (filament), der erhitzt wird,
um Elektronen zu erzeugen, die von dem Feld einer steuerbaren Anode 102 beschleunigt werden.
Der beschleunigte Elektronenstrahl 30 wird von einem magnetischen
Feld gelenkt und geformt, das von steuerbaren elektrischen Feldplatten 104 erzeugt
wird. Der Elektronenstrahl 30, der durch eine Öffnung in
der Anode 102 hindurch gelangt, wird auf den Zielort 24 gelenkt,
bei der hier dargestellten Art der Elektronenstrahlquelle 28 entlang
eines Bogens von 270° durch
die steuerbaren elektrischen Feldplatten 104. Bei anderen
Aufbauten kann der Elektronenstrahl in einem Bogen von 180° gelenkt
werden oder in einem anderen Winkel. Die Form und der Durchmesser
des Elektronenstrahls 30 werden auch von den Feldplatten 104 gesteuert,
um einen Elektronenstrahlfleck 106 auf dem Zielort 24 mit
einer Größe des Elektronenstrahlflecks
(d.h. der Fläche
des Flecks) auf dem Zielort 24. Die Feldplatten 104 können demnach
gesteuert mit Energie beaufschlagt werden, um den Ort des Flecks 106 und
seine Fleckgröße zu steuern.
Elektronenstrahlquellen 28 dieser Art sind aus dem Stand
der Technik bekannt und im Handel erhältlich, wie beispielsweise
der ESV 14/Q Elektronenstrahl-Verdampfer von der Leybold AG und
der ESQ212 von Balzers. Solche Elektronenstrahlquellen 28 sind
jedoch bislang nicht in der hier erläuterten Art und Weise gesteuert
worden.
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Die
Verdampfungsquelle 22 und das Substrat 34 sind
in einer Vakuumkammer 36 eingeschlossen, die mittels einer
Vakuumpumpe 38 evakuiert wird.
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Das
Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 weist ferner eine Überwachungseinrichtung 40 für einen
nachlaufenden Indikator auf, die die zurückliegende Verdampfungsleistung
der Verdampfungsquelle 22 misst und ein Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden
Indikator hat. Die Überwachungseinrichtung 40 für den nachlaufenden
Indikator ist vorzugsweise eine Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44,
die eine Ablagerung des Ablagerungsmaterials 26 auf einem überwachten
Substrat 46 misst. Das überwachte
Substrat 46 befindet sich innerhalb der Vakuumkammer 36 und
wird räumlich
nahe an dem Substrat 34 positioniert, so dass der Ablagerungsstrahl 32 sowohl
auf das überwachte
Substrat 46 als auch auf das Substrat 34 auftrifft. 1 und 2 zeigen
zwei verschiedene Ausführungsbeispiele
der Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44, wobei
jedes von beiden zufrieden stellend für die hier gezeigte Vorgehensweise
verwendet werden kann.
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Die
Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 gemäß der 1 ist
vorzugsweise, aber nicht zwingend, ein optischer Reflexions-Typ. Ein Lichtstrahl 48,
der von einer Lichtquelle 50 über eine Quellenlichtfaser 52 und
durch eine Durchführung 54 übertragen
wird, trifft auf dem überwachten
Substrat 46 auf. Die Lichtquelle 50 kann z.B.
eine Lichtquelle mit nicht-kohärentem
Licht sein, wie z.B. eine Wolfram-Halogen-Lampe, oder eine kohärente Lichtquelle,
wie z.B. ein Infrarot-Laser. Ein reflektierter Lichtstrahl 56,
der von dem überwachten
Substrat 46 reflektiert wird, wird von einem Lichtfaserbündel 58 empfangen,
und im Speziellen von einem ersten Lichtfaserteilbündel 60,
das ein opti sches Dickensignal in der Form des reflektierten Lichtstrahls 56 von dem überwachten
Substrat 46 empfängt
und durch die Durchführung 54 weiterleitet.
Die Amplitude des reflektierten Lichtstrahls 56 ist abhängig von
einer Dicke einer Ablagerung des Ablagerungsmaterials 26 auf
dem überwachten
Substrat 46, welches als Surrogat für die Stärke des Ablagerungsmaterials 26 auf dem
Substrat 34 dient. Nach einer Konvertierung in ein elektrisches
Signal, einer Aufbereitung des Signals, einer geeigneten Verstärkung und
einer Normalisierung wird aus dem Dickensignal das Ausgangssignal 42 des
nachlaufenden Indikators (hier die Ablagerungsrate).
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Die
Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 gemäß der 2 ist
ein Transmissions-Typ. Es werden nun für Merkmale mit vergleichbarer
Funktion in der 2 dieselben Begriffe und dieselbe
Nummerierung von Merkmalen wie in der 1 verwendet.
Der Lichtstrahl 48, der von der Lichtquelle 50 über die
Quellenlichtfaser 52 und durch die Durchführung 54a weiter
geleitet wird, trifft auf dem überwachten
Substrat 46 auf. Ein weiter geleiteter Lichtstrahl 56,
der durch das überwachte
Substrat 46 weiter geleitet wird, wird von dem Lichtfaserbündel 58 empfangen,
und im Speziellen von dem ersten Lichtfaserteilbündel 60, das ein optisches
Dickensignal in der Form des übertragenen
Lichtstrahls 56 von dem überwachten Substrat 46 empfängt und
durch die zweite Durchführung 54b führt. Die
Amplitude des weiter geleiteten Lichtstrahls 56 ist abhängig von
der Dicke der Ablagerung von Ablagerungsmaterial 26 auf
dem überwachten
Substrat 46, das als Surrogat für die Stärke des Ablagerungsmaterials 26 auf
dem Substrat 34 dient. Nach einer Signalaufbereitung, einer
geeigneten Verstärkung
und einer Normalisierung wird aus dem Dickensignal das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden
Indikator (hier die Ablagerungsrate).
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Andere
Arten von Ablagerungsüberwachungseinrichtungen 44 können auch
verwendet werden, um ein Maß/eine
Messzahl für
die zurückliegende
Verdampfungsleistung der Verdampfungsquelle bereitzustellen. Die
Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 kann
z.B. mittels nicht-optischer Verfahren die Masse des abgelagerten
Materials oder die Dicke des abgelagerten Materials erfassen.
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Das
Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 hat ferner eine Überwachungseinrichtung 62 für einen
vorlaufenden Indikator, die die zukünftige Verdampfungsleistung
der Verdampfungsquelle 22 misst und ein Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden
Indikator hat. Vorzugsweise ist die Überwachungseinrichtung 62 für den vorlaufenden
Indikator eine Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66,
die eine Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 in der
Verdampfungsquelle 22 misst, die mit der Temperatur des
Ablagerungsmaterials 26 in der Verdampfungsquelle 22 korreliert.
Wenn sich die Temperatur und damit die Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 ändert, folgt die
Ablagerungsrate des Ablagerungsstrahls 32 kurz danach.
Zum Beispiel, wenn die Temperatur und die Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 ansteigt, steigt
die Ablagerungsrate des Ablagerungsstrahls 32 kurz danach
an. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Überwachungseinrichtung 62 für den vorlaufenden
Indikator ein zweites Lichtfaserteilbündel 68 auf, das ein
optisches Helligkeitssignal 70 empfängt, welches von der Helligkeit
des Ablagerungsmaterials 26 in der Verdampfungsquelle 22 abhängt und überträgt das optische
Helligkeitssignal 70 durch die Durchführung 54 (1)
oder 54b (2) an die Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66.
Nach einer Konvertierung in ein elektrisches Signal, einer Aufbereitung
des Signals, einer geeigneten Verstärkung und einer Normalisierung
wird aus dem optischen Helligkeitssignal 70 das Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden
Indikator (hier die Helligkeit).
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Das
optische Helligkeitssignal 70 kann direkt von der erhitzten
Oberfläche
des Ablagerungsmaterials 26 am Zielort 24 kommen.
Es ist jedoch eher typisch, dass das optische Helligkeitssignal 70 indirekt von
der erhitzten Oberfläche
des Ablagerungsmaterials 26 am Zielort 24 kommt,
nach einer oder mehrerer Reflexionen von den Wänden oder anderen Teilen innerhalb
der Vakuumkammer 36. Wie nachfolgend erläutert wird,
ist eher die Änderungsrate
des optischen Helligkeitssignals 70 von Interesse anstatt
der absoluten Größe des optischen
Helligkeitssignals 70, so dass die Verwendung eines reflektierten
optischen Helligkeitssignals 70 völlig zufrieden stellend ist.
In vielen Situationen wird das reflektierte optische Helligkeitssignal 70 gegenüber einem
direkten optischen Helligkeitssignals 70 bevorzugt, da
es dadurch möglich
wird, das zweite Lichtfaserteilbündel 68 außerhalb
des Ablagerungswegs des Ablagerungsmaterials 26 zu haben.
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Das
Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 hat des Weiteren
eine Steuereinrichtung 72, die das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden
Indikator und das Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator
empfängt
und die Elektronenstrahlquelle 28 in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal 42 des nachlaufenden Indikators
und von dem Ausgangssignal 64 des vorlaufenden Indikators
steuert. Die Steuereinrichtung 72 ist in den 1 und 2 dargestellt und
ihre Beziehung mit den anderen Steuerelementen für die bevorzugte Vorgehensweise
wird mit mehr Detail in 4 gezeigt.
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Bezug
nehmend auf 4 sind drei Steuerkreise gegeben.
In einem ersten Kreis, der auch als Kreis mit langsamer Antwort
bezeichnet werden kann, wird das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden
Indikator von der Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 optional
mittels eines logarithmischen Verstärkers 74 verstärkt, um
den Ausgangsbereich zu komprimieren. Der logarithmische Verstärker 74 kann
optional verwendet werden, weil es wünschenswert ist, in der Lage
zu sein, den Verdampfer in einem breiten Bereich (z.B. 1000:1) von
Ablagerungsraten zu betreiben, um damit Filme mit erheblich variierenden
Dicken zu erzielen. Dort wo der logarithmische Verstärker 74 verwendet
wird, verhindert er größere Anpassungen
der Parameter der Steuerkreise, nachdem eine große Änderung der Rate gemacht wurde. Das
Ausgangssignal des logarithmischen Verstärkers 74 (oder, falls
der logarithmische Verstärker 74 fehlt,
der Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44) wird
im Summierer 78 (summing junction) mit einem Sollwert-Eingangssignal 76 summiert.
Die Summe wird mittels eines Integrators 79 über der
Zeit integriert.
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In
einem zweiten Kreis, der auch als Kreis mit schneller Antwort bezeichnet
werden kann, wird das optische Helligkeitssignal 70 optional
mittels eines Filters 80 gefiltert, um infrarotes Licht
zu entfernen (anders gesagt, sichtbares Licht durchzulassen). Der
Filter 80 wird normalerweise nicht benötigt, wenn beispielsweise die
optische Dickenüberwachungseinrichtung
eine nicht-kohärente
Lichtquelle 50 verwendet, wie zum Beispiel eine Wolfram-Halogen-Lampe
als Lichtquelle. Die Betätigung
der Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66 wird
durch eine Synchro nisationssteuerung 82 synchronisiert,
um zu arbeiten, wenn die Ablagerungsüberwachungseinrichtung 44 und
ihre Lichtquelle 50 nicht arbeiten, wodurch sich eine wirksame
Filterfunktion für
eine nicht-kohärente
Lichtquelle 50, wie z.B. einer Wolfram-Halogen-Lampe, ergibt. Wenn ein Infrarot-Laser als
die Lichtquelle 50 für
die optische Dickenüberwachungseinrichtung
verwendet würde,
wäre die
Verwendung des Filters 80 wünschenswert. Bei Fehlen des
Filters 80 oder der Synchronisationssteuerung 82 würde die
intensive Lichtquelle 50 möglicherweise die Arbeit der
Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66 stören, deren
Funktion es ist, die Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 am
Zielort 24 zu überwachen,
das von dem Elektronenstrahl 30 erhitzt wird. Das Ausgangssignal 64 des
vorlaufenden Indikators wird optional mittels eines logarithmischen
Verstärkers 84 verstärkt, um
den Ausgangsbereich zu komprimieren. Der logarithmische Verstärker 84 kann verwendet
werden, weil die Ablagerungsrate eine exponentielle Funktion der
Temperatur ist (wie sie durch die Helligkeit gemessen wird). Die
zeitliche Ableitung des Ausgangssignals aus dem logarithmischen
Verstärker 84 (oder,
wenn der logarithmische Verstärker 84 nicht
verwendet wird, der Helligkeitsüberwachungseinrichtung 66)
wird von einer Recheneinheit 86 für die zeitliche Ableitung errechnet.
Die zeitliche Ableitung der Helligkeit wird von einem Summierer 88 mit
dem Ausgangssignal des Integrators 79 summiert.
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Das
summierte Ausgangssignal des Summierers 88, welches sowohl
das Ausgangssignal aus dem ersten Kreis als auch das Ausgangssignal
aus dem zweiten Kreis repräsentiert,
wird verwendet, um die Elektronenstrahlquelle 28 zu steuern.
Im Speziellen steuert das Ausgangssignal des Summierers 88 die
Fleckgröße des Strahls
durch eine Funktion zur Fleckgröße des Strahls
in der Steuer einrichtung 90 der Fleckgröße/Position des Strahls. Das
heißt,
die Fleckgröße des Elektronenstrahls 30 kann
vergrößert werden,
um die Temperatur des Gebiets des Ablagerungsmaterials 26,
das emittiert, zu vergrößern, wodurch
die Masse des Materials in dem Ablagerungsstrahl 32 reduziert
wird. Oder die Fleckgröße wird
reduziert, um die Temperatur in dem Gebiet des Ablagerungsmaterials 26,
das emittiert, zu vergrößern, wodurch
die Masse des Materials im Ablagerungsstrahl 32 vergrößert wird.
Diese Steuerung mit schneller Antwort der Ablagerungsrate in Verbindung mit
der Überwachung,
die man durch die Überwachung
des nachlaufenden Indikators und die Überwachung des vorlaufenden
Indikators erhält,
ermöglicht
es, die Ablagerungsrate sehr schnell zu ändern in Abhängigkeit
von schnell wechselnden Bedingungen des Ablagerungsmaterials 26.
Diese Fähigkeit zur
schnellen Antwort ermöglicht
es, verdampfungsinstabile, anorganische Nicht-Metalle, wie beispielsweise
Gläser,
Keramiken oder Halbleiter, in einer stabileren und kontrollierteren
Art und Weise abzulagern, als es zuvor möglich war. Außerdem kann
die mittlere Stelle des Flecks 106 über die Oberfläche des
Ablagerungsmaterials 26 bewegt werden, indem man die Steuerfunktion
der Strahlposition der Steuereinrichtung 90 der Fleckgröße/Position
des Strahls verwendet, um sicherzustellen, dass es gleichmäßig verdampft
wird, ohne die Grate und andere Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche, die
ansonsten dazu führen
können,
die Ablagerung instabil zu machen.
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Das
Ausgangssignal des Summierers 88 wird auch mit einem Sollwert 92 des
Strahldurchmessers von einem Summierer 94 eines dritten
Steuerkreises summiert. Das Ausgangssignal des Summierers wird verwendet,
um die Drahtstromsteuerung 96 zu steuern, die den Strom
steuert, der der Elektronenstrahlquelle 28 be reitgestellt
wird, entweder direkt oder durch einen optionalen logarithmischen Verstärker 95.
Der optionale logarithmische Verstärker 95 kann eingesetzt
werden, weil die Ablagerungsrate exponentiell von dem Strom durch
den Draht 100 abhängt
und der optionale logarithmische Verstärker 95 den Steuerkreis
der Emissionsleistung linearisiert.
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Die
optionale Verwendung der drei logarithmischen Verstärker 74, 84 und 95 ermöglicht es,
die Steuerkreise linearer in ihrem Verhalten und damit stabiler
zu machen, insbesondere wenn die Umstände es erfordern, die Verdampfungsrate über mehrere Zehnerpotenzen
hinweg zu steuern (z.B. Verdampfungsraten von 0,01 nm Dicke pro
Sekunde bis zu 10 nm Dicke pro Sekunde). Einer oder mehrere der
logarithmischen Verstärker 74, 84 und 95 können weggelassen
werden, wenn eine solche Linearisierung nicht erforderlich ist.
Dies ist z.B. der Fall, wenn die optimalen Systemparameter bekannt
sind und als eine Funktion der Ablagerungsrate programmiert sind,
oder wo sich das gesamte System unter einer Computersteuerung befindet.
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Obwohl
zum Zwecke der Erläuterung
ein spezielles Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben worden ist, können verschiedene Modifikationen
und Verbesserungen gemacht werden, ohne die Idee und den Bereich
der Erfindung zu verlassen. Demnach ist die Erfindung nur durch
die Ansprüche begrenzt.
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Insgesamt
betrifft die Erfindung also ein Elektronenstrahl-Ablagerungssystem 20 mit einer Verdampfungsquelle 22,
die ein Quellenziel 23 mit einem Zielort 24, an
dem ein Ablagerungsmaterial 26 positioniert werden kann,
und eine steuerbare Elektronenstrahlquelle 28 aufweist,
die angeordnet ist, um einen Elektronenstrahl 30 auf den
Zielort 24 zu lenken. Eine Überwachungseinrichtung 40 für einen nachlaufenden
Indikator misst die zurückliegende Verdampfungsleistung
der Verdampfungsquelle 22 und hat ein Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden
Indikator. Eine Überwachungseinrichtung 62 für einen
vorlaufenden Indikator misst eine zukünftige Verdampfungsleistung
der Verdampfungsquelle 22 und hat ein Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator.
Eine Steuereinrichtung 72 empfängt das Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden
Indikator und das Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator
und steuert die Elektronenstrahlquelle 28 in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal 42 für den nachlaufenden Indikator
und von dem Ausgangssignal 64 für den vorlaufenden Indikator.
Bevorzugt misst die Überwachungseinrichtung 40 für den nachlaufenden
Indikator eine Ablagerung des Ablagerungsmaterials 26 auf
einem überwachten
Substrat 46, und die Überwachungseinrichtung 62 für den vorlaufenden
Indikator misst eine Helligkeit des Ablagerungsmaterials 26 in
der Verdampfungsquelle 22.