CH702969A2 - Apparatus for treating and/or coating glass surfaces with thin layers using plasma, comprises anode segments, and a magnetic assembly, where the segment is based on magnetic field that forces electrons to sputter cathode - Google Patents
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Abstract
Description
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln oder Beschichten mit dünnen Schichten von Oberflächen mittels eines Plasmas gemäss dem Oberbegriff nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Behandeln oder Beschichten von Oberflächen mit dünnen Schichten mittels eines Plasmas. The present invention relates to a device for treating or coating with thin layers of surfaces by means of a plasma according to the preamble of claim 1 and a method for treating or coating surfaces with thin layers by means of a plasma.
[0002] Bei reaktiven Prozessen ist ein kritisches Element die Anode. Im Verlauf einer Beschichtungskampagne wird diese, je nach Bauart, mehr oder weniger mit nicht leitendem Material beschichtet bis hin zur völligen Isolierung. Dies führt langfristig zu instabiler Prozessführung über die Targetlebensdauer und vor allem zu lokalen kurzfristigen Inhomogenitäten über die Kathodenlänge, was zu unkontrollierten Schichtinhomogenitäten auf dem Substrat wie beispielsweise Glas führt. Die bisher noch ungenügend gelöste Problematik spiegelt sich auch in der grossen Anzahl von Patenten wieder. In reactive processes, a critical element is the anode. In the course of a coating campaign, this is, depending on the design, more or less coated with non-conductive material to complete isolation. This leads in the long term to unstable process control over the target lifetime and above all to local short-term inhomogeneities over the cathode length, which leads to uncontrolled Schichtinhomogenitäten on the substrate such as glass. The still insufficiently solved problem is also reflected in the large number of patents.
[0003] Ein zusätzliches Problem beim Reaktiv-Sputtern ist die Zuführung von Reaktivgas wie z.B. Sauerstoff, welches zur partiellen Targetvergiftung führt. Speziell in sehr grossen Beschichtungskammern, wie in der Glasindustrie üblich, sind oft die Gasdiffusion bedingt durch Pumpgeometrie und Prozesseinbauten nicht homogen, was zu nicht gleichmässiger Verteilung der Raktivgas-Anteile führt. Dies wiederum kann zu, auf dem Sputtertarget, lokalen Überangebot von Reaktivgas führen. Dies wiederum führt zu lokal veränderter Sputterrate (zuviel an Reaktivgas erniedrigt die Beschichtungsrate drastisch). Damit ergeben sich lokal unterschiedliche Beschichtungsraten und damit Schichtdickenschwankungen über die Substratbreite. Im Extremfall kann eine Sputterkathode auf der einen Targetseite im metallischen Mode und auf der anderen Seite im voll oxidierten Mode arbeiten. Eine Lösung, welche von Anlagenherstellern angeboten wird, ist die Teilung der Gaseinlässe in Abschnitte. So ist es üblich 2 bis 5 einzelne Gaseinlässe in der Länge anzubringen. Diese Lösung ist jedoch nur bedingt brauchbar, da durch die hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gase im Vakuum eine exakte Einflussnahme auf Targetabschnitte nicht möglich ist, behindert noch durch zum Teil Substrate unterschiedlichster Grösse, welche die Pumpgeometrien in der Produktion laufend verändern. An additional problem with reactive sputtering is the delivery of reactive gas, such as e.g. Oxygen, which leads to partial target poisoning. Especially in very large coating chambers, as is customary in the glass industry, the gas diffusion is often not homogeneous due to pump geometry and process installations, which leads to non-uniform distribution of Raktivgas shares. This in turn can lead to, on the sputtering target, local oversupply of reactive gas. This in turn leads to locally changed sputtering rate (too much reactive gas drastically lowers the deposition rate). This results in locally different coating rates and thus layer thickness variations across the substrate width. In extreme cases, a sputtering cathode can work on one side of the target in the metallic mode and on the other side in the fully oxidized mode. One solution offered by equipment manufacturers is the division of gas inlets into sections. So it is customary to install 2 to 5 individual gas inlets in length. However, this solution is only of limited use, since due to the high velocity of propagation of the gases in vacuum, an exact influence on target sections is not possible, still impeded by partially substrates of different sizes, which constantly change the pump geometries in production.
[0004] Ein Problemthema ist auch das Übersprechverhalten bei zuviel O2 Verwendung. Ein weiterer unerwünschter Effekt wird ausgelöst durch die Kammergeometrie der Beschichtungsanlagen für die grossflächige Beschichtung. Die Trennung der einzelnen Kammern geschieht sehr unvollständig, so dass Gaskorrekturen in einem Prozessmodul zu Beeinflussungen in den Nachbarmodulen führen. Unter diesen Bedingungen ist es besonders wichtig nur minimale Anteile an Reaktivgas im Prozessbereich zu prozessieren. A problem is also the crosstalk behavior with too much O2 use. Another undesirable effect is triggered by the chamber geometry of the coating systems for the large-area coating. The separation of the individual chambers is very incomplete, so that gas corrections in a process module lead to influences in the neighboring modules. Under these conditions, it is particularly important to process only minimal amounts of reactive gas in the process area.
[0005] Besonders schädlich, wo die dielektrischen Schichten vor oder nach rein metallischen wie Silber abgeschieden werden sollen. Zur Vermeidung von Entladeerscheinungen auf dem Substrat wie beispielsweise den Gläsern, wird oft die Anode gegen Masse elektrisch isoliert und in Kathodennähe platziert. Dies verhindert zum Teil die für harte, kratzfeste, dichte Schichten notwendige Plasmaumgebung am Substrat. Particularly harmful where the dielectric layers are to be deposited before or after purely metallic such as silver. To avoid discharge phenomena on the substrate such as the glasses, the anode is often electrically isolated from ground and placed near the cathode. This partly prevents the plasma environment on the substrate which is necessary for hard, scratch-resistant, dense layers.
[0006] Über einen Ableitwiderstand wird das Potential der Anoden (damit auch das floatende Potential der Glasoberfläche)in der Nähe der Erdung eingestellt, zum Beispiel ca. +0.5V im Bezug zur Erde. Damit vermeidet man Überschläge von der aufgeladenen Glasoberfläche zur Masse. Örtlich werden die Anoden entfernt von der Glasoberfläche positioniert, damit vermeidet man höhere Plasmadichten an der Substratoberfläche. About a bleeder, the potential of the anodes (thus also the floating potential of the glass surface) is set in the vicinity of the ground, for example, about + 0.5V in relation to the earth. This avoids flashovers from the charged glass surface to the mass. Locally, the anodes are positioned away from the glass surface to avoid higher plasma densities at the substrate surface.
[0007] Für diverse Schichten ist jedoch eine Erhöhung der Plasmadichte in der Schicht Wachstumszone von Vorteil. Der übliche Stand der Technik vermeidet gerade diese Konfiguration. For various layers, however, an increase in the plasma density in the layer growth zone is advantageous. The usual state of the art avoids this configuration.
[0008] Zum Thema «verschwindende Anode» gibt es unzählige Patente und Veröffentlichungen, welche von «hidden Anode» über Folienanoden, welche weitergerollt werden um immer neue Oberflächen zu generieren, el. beschaltete, bis hin zu exotischen Geometrien, versuchen diese Problematik langzeitstabil zu lösen. Als Beispiele seien hier die Anmeldung DE 3 612 721 A1 oder die US 5 897 753 «Dual anode device» erwähnt. On the subject of "vanishing anode" there are countless patents and publications, from "hidden anode" on foil anodes, which are rolled on to generate ever new surfaces, el. Connected, to exotic geometries, try this problem long-term stable to solve. Examples which may be mentioned here are the application DE 3 612 721 A1 or the US Pat. No. 5,897,753 "Dual-anode device".
[0009] Nachteilig bei den neueren Verfahren ist die Notwendigkeit zusätzlicher el. Beschaltungen durch Schwingkreise, Abstimmkondensatoren usw. das heisst jeder neue Prozess oder neues Targetmaterial bedarf einer erneuten, feinfühligen Abstimmung. A disadvantage of the newer method is the need for additional el. Circuits by resonant circuits, tuning capacitors, etc. that is, any new process or new target material requires a renewed, sensitive vote.
[0010] Zur Lösung der Inhomogenitäten über die Kathodenlänge tragen diese Verfahren nicht bei. Der Kathodenentladestrom verteilt sich über die gesamte Anodenlänge nach dem Prinzip des partiell geringsten Widerstandes und kann damit zu bevorzugten Bereichen der Entladung führen. To solve the inhomogeneities on the cathode length, these methods do not contribute. The cathode discharge current is distributed over the entire anode length according to the principle of the least partial resistance and can thus lead to preferred areas of the discharge.
[0011] Ein Lösungsansatz zum Thema Homogenität der Entladung besteht beispielsweise darin, die Anode zu segmentieren, das heisst die Anode in mehrere Segmente zu unterteilen. So schlägt beispielsweise P. Sieck, Airco Coating Technology, Concord California in einem Artikel der Society of Vacuum Coaters 505/586-7188, 37 Annual Technical Conference Proceedings (1994)1-878068-13-X verschiedene Möglichkeiten vor, die Anode zu segmentieren bzw. mehrere Anoden vorzusehen. Gemäss einem Lösungsvorschlag wird jedes Anodensegment individuell elektrisch angeschlossen. Gemäss einem weiteren Vorschlag wird ein so genanntes «dual cathode system» vorgeschlagen mit mehreren Anoden, wobei zwischen zwei rohrförmigen magnetronartigen Kathoden Anoden vorgesehen sind, sowie seitlich zu den Magnetronröhren. One approach to the topic of homogeneity of the discharge, for example, is to segment the anode, that is to divide the anode into several segments. For example, P. Sieck, Airco Coating Technology, Concord California proposes various ways of segmenting the anode in an article of Society of Vacuum Coaters 505 / 586-7188, 37 Annual Technical Conference Proceedings (1994) 1-878068-13-X or provide a plurality of anodes. According to a proposed solution, each anode segment is electrically connected individually. According to a further proposal, a so-called "dual-cathode system" is proposed with a plurality of anodes, wherein anodes are provided between two tubular magnetron-type cathodes, and laterally to the magnetron tubes.
[0012] Entsprechend ist es bekannt durch Aufteilung von Anoden und unterschiedlicher Beschaltung dieser aufgeteilten Anodensegmente einen Einfluss auf die Schichtdickenverteilung zu nehmen. Dieses Verfahren setzt jedoch eine zeitlich immer gleichbleibende Aufteilung der Elektronenströme zu den entsprechenden Segmenten voraus, damit voraussagbare Korrekturen vorgenommen werden können. Accordingly, it is known to take an influence on the layer thickness distribution by dividing anodes and different wiring of these divided anode segments. However, this method requires a temporally constant division of the electron currents to the corresponding segments, so that predictable corrections can be made.
[0013] Wie schon vorher beschrieben besteht alleine durch eine leicht ungleichmässige Verteilung des Reaktivgases die Möglichkeit partiell Targetflächen unterschiedlich mit einer Oxydhaut zu belegen. Diese Stellen haben eine andere Sekundärelektronenemission und damit eine partiell unterschiedliche Stromdichte. Damit ändert sich die Stromabgabe an das der Targetbelegung nächststehende Anodensegment über die Prozessdauer. Diese partiellen Belegungen sind nicht vorhersehbar oder gar kontrollierbar, so dass unkontrollierbare zeitliche Schwankungen des Stromflusses per Segment auftreten. As already described above, the possibility of partially covering target surfaces differently with an oxide skin is solely due to a slightly uneven distribution of the reactive gas. These sites have a different secondary electron emission and thus a partially different current density. This changes the current output to the anode assignment next to the adjacent anode segment over the duration of the process. These partial occupancies are not predictable or even controllable, so that uncontrollable temporal fluctuations of the current flow per segment occur.
[0014] In der Praxis jedoch und vor allem bei Sputterkathoden sind extreme unvorhersagbare Plasmadrifts festzustellen. Dies führt dazu, dass die einzelnen Segmente mit sehr unterschiedlichen Elektronenströmen umgehen müssen. Die Folge ist, dass ein geschaltetes Segment einmal mehr einmal weniger Wirkung zeigt, je nach Phase der oszillierenden Plasmadichte. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch die geometrische Veränderung der Anodenoberfläche durch den Beschichtungsprozess, vor allem wenn nicht leitende Dielektrika gesputtert werden. In practice, however, and especially in sputter cathodes extreme unpredictable Plasmadrifts are observed. This leads to the fact that the individual segments must deal with very different electron currents. The result is that a switched segment once again shows less effect, depending on the phase of the oscillating plasma density. This effect is further enhanced by the geometric change of the anode surface through the coating process, especially when non-conducting dielectrics are sputtered.
[0015] Durch die inhomogene Plasmabeaufschlagung der Anodengeometrien ist die zuverlässige Ansteuerung von Anodensegmenten wie im Artikel von P.Sieck von Airco Coating Technology beschrieben in einer Produktion für optische Schichten nicht möglich, da das gleiche Anodensegment mal mehr mal weniger Elektronenstrom erhält, mit sehr unterschiedlichen Frequenzen, zum Teil mit sprunghaften Übergängen. Due to the inhomogeneous plasma loading of the anode geometries, the reliable control of anode segments as described in the article by P.Sieck Airco Coating Technology in a production for optical layers is not possible because the same anode segment times more times receives less electron current, with very different Frequencies, some with jumpy transitions.
[0016] Bei linearen Magnetronanordnungen über mehrere Meter Länge, wie z.B. mehr als 3 m ist dieser Effekt noch ausgeprägter. For linear magnetron arrangements over several meters in length, e.g. more than 3 m, this effect is even more pronounced.
[0017] Das bedeutet ein Beschälten eines oder mehrerer Anodensegmente führt immer wieder zu anderen, nicht vorhersagbaren Steuerungsergebnissen. This means a Beschälten one or more anode segments leads time and again to other, unpredictable control results.
[0018] Alles zusammen ergibt eine äusserst ungenaue Regelungsmöglichkeit. Dies mag auch der Grund sein, dass dieses Verfahren der Segmentierung von Anoden, obwohl lange bekannt, in der Industrie nicht zur Anwendung gekommen ist. All together results in a very inaccurate control option. This may also be the reason that this method of segmentation of anodes, although long known, has not been used in the industry.
[0019] Seit mehreren Jahren ist bekannt die Plasmadichte am Substrat bei Magnetronentladungen mit Hilfe von unbalanced Magnetsytemen und closed field Magnetanordnungen zu erhöhen. Der Nachteil dieser Methoden ist zum einen, dass das einmal eingestellte unbalanced Magnetsystem für alle Beschichtungszyklen fix ist, das heisst, Schichten die durch unbalanced Design im Wachstum gestört werden, wie z.B. ITO müssen notgedrungen mit einer zweiten Kathode prozessiert werden, können also nicht in derselben Umgebung behandelt werden. Zum Weiteren ist eine close field Anordnung in einer Durchlaufanläge, wo die Kathoden in einer Ebene angeordnet sind, so nicht praktizierbar, sodass sich hier immer eine magnetische Öffnung zum Rezipienten ergibt und ein solch dichter Plasmaeinschluss nicht möglich ist. For several years, it is known to increase the plasma density at the substrate in magnetron discharges by means of unbalanced Magnetsytemen and closed field magnet arrangements. The disadvantage of these methods is, on the one hand, that once the unbalanced magnet system has been set, it is fixed for all coating cycles, that is, layers which are disrupted by unbalanced design in growth, such as, for example, ITOs must be processed with a second cathode, so they can not be treated in the same environment. Furthermore, a close field arrangement in a Durchlaufanläge where the cathodes are arranged in a plane, so not practicable, so here always results in a magnetic opening to the recipient and such a dense plasma confinement is not possible.
[0020] Weiterhin werden zusätzlich zur Magnetron Beschichtungsquelle Plasma- oder Ionenquellen oder auch sogenannte Plasmathruster eingesetzt. Hier ist zusätzlicher Einbauraum für die neue aufwendige kostspielige Ionenquelle mit Spannungsversorgung, Gassystem und so weiter notwendig. Zusätzlich haben die damit erzeugten Ionen Energien im Bereich einiger hundert Elektrovolt, was bei bestimmten Schichtwachstumsbedingungen zu Zerstörung oder Defekten führt. Furthermore, in addition to the magnetron coating source plasma or ion sources or so-called Plasmathruster be used. Here, additional installation space for the new complex expensive ion source with power supply, gas system and so on is necessary. In addition, the ions generated thereby have energies in the range of a few hundred electric volts, which leads to destruction or defects in certain layer growth conditions.
[0021] Hinzu kommt das im Vergleich zu der hier vorgestellten Patentanmeldung die oben erwähnten Anwendungen nur einen Bruchteil der Ladungsträgerdichten im Bereich der Schichtwachstumszonen am Substrat haben. In addition, in comparison to the patent application presented here, the abovementioned applications have only a fraction of the carrier densities in the region of the layer growth zones on the substrate.
[0022] In der Veröffentlichung in J. Vac.Sci. Technol. A 14(4) Jul/Aug. 1996 von W.H. Tao et all «Spatial Distributions of electron density and electron temperature in direct current glow discharge» wird eine magnetfeldunterstützte Anode beschrieben mit den entsprechenden Messungen des Plasmaverhaltens in der Umgebung Kathode-Anode. In the publication in J. Vac. Sci. Technol. A 14 (4) Jul / Aug. 1996 by W.H. Tao et al., Spatial Distributions of Electron Density and Direct Current Glow Discharge, describes a magnetic field assisted anode with corresponding plasma behavior measurements in the cathode anode environment.
[0023] Gleiches wird in der internationalen Anmeldung WO 2008/118 203 A2 von J. Madocks erwähnt, wo eine Anordnung beschrieben ist, welche eine Anode in Verbindung mit einem Magnetron betreibt, wobei die Anode ein magnetronähnliches Magnetfeld besitzt. Der Aufbau ist so gehalten, dass die Elektronen aus der Magnetronentladung vor Erreichen der Anodenoberfläche durch ein Magnetfeld gesteuert werden, wodurch eine zusätzliche Ionendichterhöhung erreicht wird. Diese Anode kann und wird nicht für örtliche Plasmadichte-Korrekturen durch Plasmadichte-Schwankungen benutzt. Der Nachteil hier ist, dass schon durch leichte Inhomogenitäten des Gasflusses in der Quelle Plasmadichte-Schwankungen auftreten, welche zur Beeinflussung von Beschichtungsverteilungen führen. The same is mentioned in International Application WO 2008/118 203 A2 to J. Madocks, where an arrangement is described which operates an anode in conjunction with a magnetron, the anode having a magnetron-like magnetic field. The structure is such that the electrons from the magnetron discharge are controlled by a magnetic field before reaching the anode surface, whereby an additional increase in ion density is achieved. This anode can not and will not be used for local plasma density corrections due to plasma density variations. The disadvantage here is that even slight inhomogeneities of the gas flow in the source plasma density fluctuations occur, which lead to the influence of coating distributions.
[0024] Die ebenfalls vorab beschriebenen Ionen oder Plasmathruster-Quellen haben den Nachteil der hohen Ionenenergien von einigen 100 Elektrovolt und geringer Stromdichte. The also previously described ions or Plasmathruster sources have the disadvantage of high ion energies of several 100 electric volt and low current density.
[0025] Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine langzeitstabile Anordnung zu schaffen, welche Steuerungsmöglichkeiten bezüglich Schichthomogenität ermöglicht, sowie die grösstmögliche Aktivierung von Reaktivgas zulässt, mit der zusätzlichen Möglichkeit die Plasmabedingungen wie Ionenstromdichten, Ionenenergien am Substrat in positiver Art zu beeinflussen. Eine weitere Aufgabe besteht im regelbaren Oberflächenengineering von wachsenden Sputterschichten. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a long-term stable arrangement, which allows control options with respect to layer homogeneity, and allows the largest possible activation of reactive gas, with the additional ability to influence the plasma conditions such as ion current densities, ion energies on the substrate in a positive manner. Another task is the controllable surface engineering of growing sputter layers.
[0026] Erfindungsgemäss wird eine Vorrichtung zum Behandeln oder Beschichten von Oberflächen mit dünnen Schichten mittels eines Plasmas gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 vorgeschlagen. According to the invention, an apparatus for treating or coating surfaces with thin layers by means of a plasma according to the wording of claim 1 is proposed.
[0027] Vorgeschlagen wird die Verwendung einer Einrichtung, welche in einer mit mehreren Elektroden bestückte Beschichtungsanordnung als Anode geschaltet ist. Proposed is the use of a device which is connected in an equipped with a plurality of electrode coating arrangement as the anode.
[0028] Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass mindestens eines der Anodensegmente ein Magnetron ähnliches Magnetfeld aufweist, welches die Elektronen auf ihrem Weg von der Sputterkathode zur Anode auf eine Ringbahn über der Anodenelektrode zwingt und durch diese Bewegung in der Ringbahn ein Stromdichteausgleich erreicht wird. Mit anderen Worten wird mindestens an einem Segment der Anode eine Magnetanordnung vorgesehen bzw. ist dieses Segment Magnetfeldunterstützt. Gemäss einer Ausführungsvariante sind sämtliche Anodensegmente mit einem magnetronähnlichen Magnetfeld versehen, wodurch ein Stromdichteausgleich der einzelnen Segmente untereinander erreicht wird. According to the invention it is proposed that at least one of the anode segments has a magnetron-like magnetic field which forces the electrons on their way from the sputtering cathode to the anode on a circular path over the anode electrode and a current density compensation is achieved by this movement in the ring path. In other words, a magnet arrangement is provided at least on one segment of the anode or this segment is supported by magnetic fields. According to one embodiment, all the anode segments are provided with a magnetron-like magnetic field, whereby a current density compensation of the individual segments is achieved with each other.
[0029] Zur verbesserten Steuerbarkeit der Querverteilung, sind die Anodenelektroden segmentiert, das heisst elektrisch voneinander getrennt, aber magnetisch miteinander verbunden. For improved controllability of the transverse distribution, the anode electrodes are segmented, that is electrically separated from each other, but magnetically interconnected.
[0030] Die Anodensegmente können mit einem magnetronähnlichen Magnetfeld beaufschlagt werden, sodass ein umlaufender Elektronenstrom in Anodenebene stattfindet, welcher den Nachteil der Plasmafluktuation durch diesen Ringstrom minimiert. The anode segments can be acted upon by a magnetron-like magnetic field, so that a circulating electron flow takes place in the anode plane, which minimizes the disadvantage of the plasma fluctuation by this ring current.
[0031] In vorteilhafter Weise ist die magnetische Feldstärke auch einstellbar, z.B. durch el. Spulen oder einer Kombination von Permanentmagneten mit zusätzlichen el. Spulen oder durch mech. verschiebbare passive oder aktive magnetfeldveränderbare Elemente. Advantageously, the magnetic field strength is also adjustable, e.g. by el. coils or a combination of permanent magnets with additional el. coils or by mech. movable passive or active magnetic field variable elements.
[0032] Die Magnetfeldstärke der einzelnen Segmente ist unabhängig voneinander regelbar. The magnetic field strength of the individual segments can be controlled independently of one another.
[0033] Im Falle der Verwendung eines Reaktivgases wird vorgeschlagen dieses im Bereich der Anode bzw. einem oder mehrerer der Anodensegmente zu führen. Der Gaseinlass reaktiv und/oder inert wird beispielsweise direkt durch die Anode geführt. In the case of the use of a reactive gas, this is proposed to lead in the region of the anode or one or more of the anode segments. For example, the gas inlet reactive and / or inert is passed directly through the anode.
[0034] Vorteilhaft ist, dass pro Segment die Reaktiv- und oder auch Inertgase mit eigener Regelung versehen werden. Damit besteht ebenfalls die Möglichkeit Stromdichteschwankungen und auch Schichtdickenverteilungen pro Targetabschnitt sehr effektiv durch die im Plasma erhöhte Reaktivität zu beeinflussen. It is advantageous that per segment, the reactive and or inert gases are provided with its own scheme. Thus, it is also possible to influence current density fluctuations and layer thickness distributions per target section very effectively by the increased reactivity in the plasma.
[0035] Jedes einzelne Anodensegment kann in seiner Stromaufnahme steuerbar sein, entweder durch Veränderung des eingeprägten Magnetfeldes oder durch zeitlich einstellbares Zu- und Abschalten des Segmentes zum Sputterstromkreis, oder in einer anderen Ausführung durch den regelbaren segmentierten Gasfluss, welcher beispielsweise durch das Anodensegment geführt wird. Each individual anode segment can be controlled in its current consumption, either by changing the embossed magnetic field or by time-adjustable switching on and off of the segment to the sputtering circuit, or in another embodiment by the controllable segmented gas flow, which is guided for example through the anode segment ,
[0036] Durch die Verwendung beispielsweise mit einer speziellen Elektronik mit intelligenter Software, können die einzelnen Segmente über Puls-Pausen-Verhältnisse Ab- oder Zugeschaltet werden, sodass der Entladestromkreis und damit die Plasmadichte örtlich variiert werden kann. By using, for example, with special electronics with intelligent software, the individual segments can be switched off or pulled over pulse-pause ratios, so that the discharge circuit and thus the plasma density can be varied locally.
[0037] Eine weitere Option besteht in der Veränderung der segmentierten, unterstützenden Magnetanordnungen. Durch Verstärkung oder Abschwächung der Magnetfeldstärke im entsprechenden Segment wird die dazugehörige Impedanz verändert und damit die Aufteilung des Entladestromes und damit wiederum der Plasmadichte erreicht. Another option is to change the segmented, supporting magnet arrangements. By amplifying or weakening the magnetic field strength in the corresponding segment, the associated impedance is changed and thus the division of the discharge current and thus the plasma density is achieved.
[0038] Es ist auch möglich beide Verfahren, das heisst magnetische und elektrische Ansteuerung zu kombinieren. It is also possible to combine both methods, that is, magnetic and electrical control.
[0039] Der gekühlte Anodenaufbau kann ein integriertes Gaseinlasssystem für Inertgase besitzen, wie zum Beispiel für Argon oder für Reaktivgas wie Sauerstoff, Wasserstoff oder auch HMDSO, TEOS und so weiter. Auch der Gaseinlass kann passend zu den Elektrodenteilen segmentiert erfolgen. The cooled anode structure may have an integrated gas inlet system for inert gases, such as argon or reactive gas such as oxygen, hydrogen or even HMDSO, TEOS and so on. Also, the gas inlet can be made segmented to match the electrode parts.
[0040] Anhand der beigefügten Figuren soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Reference to the accompanying figures, the invention will be explained in more detail, for example.
[0041] Dabei zeigen: <tb>Fig. 1a + 1b<sep>schematisch in Draufsicht und im Schnitt eine mögliche Anordnung einer erfindungsgemässen Kathoden-Anoden Anordnung, <tb>Fig. 2a-2c<sep>eine weitere mögliche Ausführungsvariante in Draufsicht und im Schnitt, <tb>Fig. 3a bis 3c<sep>wiederum mögliche Anordnungen von Kathode und segmentierter Anode schematisch in Draufsicht, <tb>Fig. 4a bis 4c<sep>schematisch im Schnitt weitere mögliche Ausführungsvarianten von Kathode und segmentierter Anode, welche in ihrer gegenseitigen Höhe anpassbar sind, <tb>Fig. 5, 6 und 7<sep>wiederum mögliche Geometrien von segmentierten Anoden für eine erfindungsgemässe Beschichtungsanläge, <tb>Fig. 8 und 9<sep>im Querschnitt und in Obendraufsicht schematisch Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemässen Beschichtungsanlage für das Beschichten beispielsweise eines grossflächigen Substrates wie beispielsweise Glas und <tb>Fig. 10<sep>im Schnitt eine mögliche Anordnung von Magneten in einem Anodensegment.[0041] <Tb> FIG. 1a + 1b <sep> schematically in plan view and in section a possible arrangement of a novel cathode-anode arrangement, <Tb> FIG. 2a-2c <sep> another possible embodiment in plan view and in section, <Tb> FIG. 3a to 3c <sep> again schematically possible arrangements of cathode and segmented anode in plan view, <Tb> FIG. 4a to 4c <sep> schematically in section further possible embodiments of cathode and segmented anode, which are adaptable in their mutual height, <Tb> FIG. 5, 6 and 7 <sep> again possible geometries of segmented anodes for a coating apparatus according to the invention, <Tb> FIG. 8 and 9 <sep> in cross-section and in top plan view schematically embodiments of a coating system according to the invention for coating, for example, a large-area substrate such as glass and <Tb> FIG. 10 <sep> on average a possible arrangement of magnets in an anode segment.
[0042] Das Zusammenwirken von ladungsträgererzeugender Quelle wie Sputterkathoden, ARC Verdampfer oder Niedervoltbogenentladungsquellen mit filamentunterstützter Elektronenemission, Hohlkathoden, Mikrowellen oder Hochfrequenzplasmaerzeugung kann in unterschiedlichsten Konfigurationen geschehen. The interaction of charge carrier generating source such as sputtering cathodes, ARC evaporator or low-voltage arc discharge sources with filament-assisted electron emission, hollow cathodes, microwaves or high frequency plasma generation can be done in a variety of configurations.
[0043] Prinzipiell können verschiedenste Ladungserzeuger mit den neuartigen Anodenkonzepten verschaltet werden. In principle, a wide variety of charge generators can be interconnected with the novel anode concepts.
[0044] DC/RF/MF gepulste Sputterkathoden oder ARC Verdampfer in runder, rechteckiger oder sonst geeigneter Form. DC / RF / MF pulsed sputtering cathodes or ARC evaporators in round, rectangular or otherwise suitable form.
[0045] In Fig. 1a ist eine mögliche Anordnung einer erfindungsgemässen Beschichtungsanlage schematisch in Draufsicht dargestellt. In Fig. 1a, a possible arrangement of an inventive coating system is shown schematically in plan view.
[0046] Grundsätzlich besteht die erfindungsgemässe Anordnung beispielsweise aus einer Sputterkathode 100, welche über einen Powersupply 102 und eine intelligente Anodensegmentansteuerung 104 mit einer segmentierten Anode 105 gekoppelt ist. Die Anode 105 besteht aus den einzelnen nebeneinander angeordneten Segmenten 107, welche elektrisch voneinander isoliert sind, jedoch von einem Magnetfeld, die einzelnen Segmente übergreifend überlagert ist. An den jeweiligen Endsegmenten ist schematisch ein magnetischer Einschluss erkennbar. In principle, the arrangement according to the invention consists, for example, of a sputtering cathode 100, which is coupled to a segmented anode 105 via a power supply 102 and an intelligent anode segment drive 104. The anode 105 consists of the individual juxtaposed segments 107, which are electrically isolated from each other, but of a magnetic field which is superimposed over the individual segments. At the respective end segments, a magnetic inclusion is schematically visible.
[0047] Fig. 1b zeigt in Schnittperspektive die Anode 105 aus Fig. 1a. Erkennbar sind die einzelnen Anodensegmente 107, welche durch entsprechende Permanentmagnete 109 oben überdeckt quasi eingeschlossen sind zur Bildung eines Magnetfeldes. Über Anschlüsse 106 sind die einzelnen Anodensegmente mit der Anodensegmentansteuerung 104 verbunden. Schliesslich erkennbar ist ein Gaseinlass III für das Beschicken der Anode bspw. mit einem Inertgas. FIG. 1b shows a sectional perspective of the anode 105 from FIG. 1a. Recognizable are the individual anode segments 107, which are covered by corresponding permanent magnets 109 above covered quasi to form a magnetic field. Via terminals 106, the individual anode segments are connected to the anode segment drive 104. Finally, it can be seen a gas inlet III for charging the anode, for example. With an inert gas.
[0048] Übliche Prozessparameter für eine derartige Anlage sind z.B. U=550V; I=2-25A; 4x10-3mbar Argon Inertgas. Typical process parameters for such a plant are e.g. U = 550V; I = 2-25a; 4x10-3mbar argon inert gas.
[0049] Eine weitere Ausführungsvariante ist schematisch in den Fig. 2a-2c dargestellt, wo eine Niedervoltbogenquelle mit verschiedenen Elektronenemittern wie Filament, Hohlkathoden usw. betrieben werden. A further embodiment is shown schematically in Figs. 2a-2c, where a low-voltage arc source with different electron emitters such as filament, hollow cathodes, etc. are operated.
[0050] Gemäss Fig. 2a erfolgt der Stromfluss von einer Kathode 100, bspw. aufweisend eine sogenannte Glühwendel. Entgegen der Darstellung in Fig. 1 sind die einzelnen Anodensegmente 107 der segmentierten Anode 105 individuell durch Permanentmagnete 109 umgeben. Die Anordnung der einzelnen Anodensegmente 107 ist deutlich erkennbar im Längsschnitt entlang der Linie II-II, wie dargestellt in Fig. 2b. According to Fig. 2a, the current flow from a cathode 100, for example. Having a so-called filament. Contrary to the representation in FIG. 1, the individual anode segments 107 of the segmented anode 105 are individually surrounded by permanent magnets 109. The arrangement of the individual anode segments 107 can be clearly seen in a longitudinal section along the line II-II, as shown in Fig. 2b.
[0051] Fig. 2c schliesslich zeigt die segmentierte Anode in Längsperspektive, in welcher Darstellung insbesondere die Anordnung der Magnete 109 deutlich erkennbar ist. Finally, FIG. 2c shows the segmented anode in a longitudinal perspective, in which representation in particular the arrangement of the magnets 109 can be clearly seen.
[0052] Übliche Prozessparamenter einer derartigen Anlage sind U=120V; I=25-200A; 3x10-3mbar Argon. Usual Prozessparamenter such a system are U = 120V; I = 25-200A; 3x10-3mbar argon.
[0053] Auch bei den Generatoren können DC/MF/RF gepulste Niedervoltbogenentladungen oder High Power Puls eingesetzt werden. Also in the generators DC / MF / RF pulsed low-voltage arc discharges or high power pulse can be used.
[0054] Bei der Konfiguration Sputterkathoden mit segmentierter Anode werden in bevorzugter Weise gepulste Generatoren verwendet mit variabler Pulsfrequenz im Bereich von 0 bis 350KHZ. In the segmented anode sputtering cathodes configuration, pulsed generators are preferably used with variable pulse frequencies in the range of 0 to 350KHz.
[0055] In den Fig. 3a bis 3c sind wiederum weitere mögliche erfindungsgemässe Anordnungen schematisch in Draufsicht dargestellt. In turn, further possible arrangements according to the invention are shown schematically in plan view in FIGS. 3a to 3c.
[0056] Gemäss Fig. 3a kann die Anordnung der Anodensegmente einseitig neben der Elektronen-/Plasmaerzeugerquelle stattfinden. Diese Anordnung kann auch genutzt werden, wenn Erzeuger und Segmentanode z.B. in getrennt nebeneinander liegenden Compartements mit ausreichenden Pumpschlitzen dazwischen eingebaut sind. So konnte in der Praxis eine Distanz von 1.40 m mit Öffnungsschlitzen von ca. 5 cm über eine Substrathöhe von 60 cm sehr erfolgreich realisiert werden. According to FIG. 3 a, the arrangement of the anode segments can take place unilaterally next to the electron / plasma generator source. This arrangement can also be used if the generator and segment anode are e.g. are installed in separate compartments with sufficient pumping slots in between. Thus, in practice, a distance of 1.40 m with opening slits of about 5 cm over a substrate height of 60 cm could be realized very successfully.
[0057] Des Weiteren können die segmentierten Anodenelemente beidseitig oder auch zusätzlich an den Stirnflächen der Erzeugerquelle positioniert sein, wie schematisch in Fig. 3b dargestellt. Furthermore, the segmented anode elements may be positioned on both sides or in addition to the end faces of the generator source, as shown schematically in Fig. 3b.
[0058] In bevorzugter Weise besitzt der Anodenaufbau einen magnetisch gekoppelten Racetrack 114, wie in Fig. 3cdargestellt, jedoch mechanisch und elektrisch segmentiert. Preferably, the anode structure has a magnetically coupled racetrack 114, as shown in Fig. 3c, but mechanically and electrically segmented.
[0059] Die Einbaulage kann plan in Höhe der Erzeugerquelle stattfinden, wie beispielsweise in Fig. 4aschematisch dargestellt oder nach vorne versetzt in Richtung Substrat 120 zur Erhöhung der Ionendichte wie dargestellt in Fig. 4b. Oder aber zurückversetzt wie schematisch in Fig. 4c dargestellt, um die hohe Reaktivgasanregung zu erhalten, aber nicht den hohen Ionenbeschuss in der Schichtwachstumszone. The installation position can take place flat at the level of the generator source, as shown for example in FIG. 4 as a schematic diagram or offset forwards in the direction of the substrate 120 for increasing the ion density as shown in FIG. 4b. Or set back, as shown schematically in Fig. 4c, to obtain the high reactive gas excitation, but not the high ion bombardment in the layer growth zone.
[0060] Die Anodengeometrie kann in Rechteckform oder rund aufgebaut sein. Auch die einzelnen Segmente können rechteckige oder runde Formen haben. The anode geometry can be constructed in a rectangular or round shape. The individual segments can also have rectangular or round shapes.
[0061] Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer bevorzugten Anodenform, welche umlaufend um die Sputterkathode aufgebaut ist, so dass ein zweiter magnetischer Tunnel für Elektronen für die Sputterkathode entsteht. Fig. 5 shows an example of a preferred anode form, which is constructed circumferentially around the sputtering cathode, so that a second magnetic tunnel for electrons for the sputtering cathode is formed.
[0062] In Fig. 7 ist ein ähnlicher Aufbau für runde Sputterquellen dargestellt. FIG. 7 shows a similar structure for round sputter sources.
[0063] Fig. 6 zeigt einzelne runde Anodensegmente, die jedoch in sich einen magnetischen Tunnel aufweisen ähnlich einem runden Magnetron Aufbau. Fig. 6 shows individual round anode segments, but in themselves have a magnetic tunnel similar to a round magnetron structure.
[0064] Der Anodenaufbau kann beispielsweise als Ringanordnung um die Beschichtungsquelle wie Sputterquelle, ARC-Quelle, Hochstromplasmaquelle, usw. oder als separates Element direkt neben der Beschichtungsquelle oder auch in einer geometrisch von den Quellen separierten Umgebung aufgebaut sein. The anode structure can be constructed, for example, as a ring arrangement around the coating source such as sputtering source, ARC source, high-current plasma source, etc. or as a separate element directly next to the coating source or even in a geometrically separated environment from the sources.
[0065] Es ist vorstellbar über in situ Sensoren einen Regelkreis aufzubauen, sodass in Abhängigkeit der örtlichen Bedingungen eine Nachregelung der Plasmabedingungen erreichbar ist. Diese Sensoren können Langmuirsonden oder Schwingquarze zur Schichtdickenmessung oder auch optische Sensoren sein. It is conceivable to build a loop via in situ sensors, so that a readjustment of the plasma conditions can be achieved depending on the local conditions. These sensors can be Langmuirsonden or quartz crystals for coating thickness measurement or optical sensors.
[0066] Fig. 8 zeigt im Schnitt und schematisch ein erfindungsgemässes Beschichtungskonzept für das Beschichten beispielsweise einer Glasplatte 22 mit einer dünnen Schicht. Die Beschichtung erfolgt mittels Sputterprozess, wobei das Plasma erzeugt wird mittels einer Magnetronkathode 3 und einer segmentierten Anode 5, welche über elektrische Anschlüsse 2 resp. 6 zur Erzeugung des Plasmas 21 an einem Sputterpowersupply 8 angeschlossen sind. Bei der segmentierten Anode handelt es sich um eine Ringanode, welche in Draufsicht in Fig. 9besser erkennbar ist. Die Anode 5 besteht aus einzelnen Segmenten 1 ́,1 ́ ́,1 ́ ́ ́, etc., wobei jedes Segment individuell über Anschlüsse 6 ́,6 ́ ́, etc. elektrisch (von einer Anodenregelung 4) individuell ansteuerbar ist. Wie insbesondere in Fig. 9 deutlich erkennbar, sind die einzelnen Segmente durch schmale Spalten 13 von ca. 1-3 mm voneinander getrennt, sind aber magnetisch miteinander verbunden. Zu diesem Zweck ist jedes Segment zur Erzeugung eines Magnetfeldes 24 mit einem Magneten 9 versehen, bestehend aus seitlich angeordneten Schenkel für Nord- und Südpol. Fig. 8 shows in section and schematically an inventive coating concept for coating, for example, a glass plate 22 with a thin layer. The coating takes place by means of a sputtering process, wherein the plasma is generated by means of a magnetron cathode 3 and a segmented anode 5, which via electrical connections 2 respectively. 6 are connected to a Sputterpowersupply 8 for generating the plasma 21. The segmented anode is an annular anode, which can be seen better in plan view in FIG. 9. The anode 5 consists of individual segments 1, 1, 1, etc., each segment being electrically controllable individually via terminals 6, 6, etc. (by an anode control 4). As can be clearly seen in particular in FIG. 9, the individual segments are separated from one another by narrow gaps 13 of approximately 1-3 mm, but are magnetically connected to one another. For this purpose, each segment for generating a magnetic field 24 is provided with a magnet 9, consisting of laterally arranged legs for north and south pole.
[0067] Die einzelnen Anoden 5 können schliesslich in einem Isolationsraum wie bspw. einem sogenannten Dunkelraum 26 angeordnet sein zum Verhindern von Überschlägen. Beispielsweise kann dazu nichtmagnetischer Stahl verwendet werden. Finally, the individual anodes 5 can be arranged in an insulation space such as, for example, a so-called dark room 26 for preventing flashovers. For example, non-magnetic steel can be used for this purpose.
[0068] Wie bereits oben erwähnt, kann es vorteilhaft sein, wenn ein Einlass 11 für Reaktivgas oder Inertgas direkt durch die Anode hindurch erfolgt, wie in Fig. 8mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. As already mentioned above, it can be advantageous if an inlet 11 for reactive gas or inert gas takes place directly through the anode, as indicated in FIG. 8 by the reference numeral 11.
[0069] Das Substrat 22 wie beispielsweise eine Glasplatte kann unterhalb der segmentierten Anode durch das Plasma 21 hindurchbewegt werden um mit einer dünnen Schicht beschichtet zu werden. Die Glasplatte bzw. Glasscheibe kann dabei kontinuierlich beschichtet bzw. behandelt werden, indem sie unterhalb der Anode durch das Plasma hindurch bewegt wird. The substrate 22 such as a glass plate may be moved through the plasma 21 below the segmented anode to be coated with a thin layer. The glass plate or glass pane can be continuously coated or treated by being moved through the plasma below the anode.
[0070] Wie in Fig. 10 dargestellt, können die Anodensegmente sowohl mit einem Permanentmagneten 31 versehen sein, wie auch mit einer Spule 33 zur elektrischen Erzeugung eines Magnetfeldes 36 zwischen den beiden Polen 35 und 37. Dabei ist es auch möglich, sowohl einen Permanentmagneten wie auch gleichzeitig eine elektrische Spule anzuordnen, um die Stärke des Magnetfeldes während dem Beschichtungsvorgang zu beeinflussen. As shown in Fig. 10, the anode segments may be provided with both a permanent magnet 31, as well as with a coil 33 for the electrical generation of a magnetic field 36 between the two poles 35 and 37. It is also possible, both a permanent magnet as well as to arrange an electric coil at the same time to influence the strength of the magnetic field during the coating process.
[0071] Die magn. Feldstärke im Bereich der Anode kann zwischen 10 Gauss bis 800 Gauss reichen, zum Teil in Abhängigkeit von den genutzten Elektronenemissionsquellen. So ist beim Einsatz von Sputtermagnetrons eine Feldstärke von 100 Gauss bis 800 Gauss, bevorzugterweise eine von 350 Gauss bis 650 Gauss einzusetzen. The magn. Field strength in the region of the anode can range from 10 Gauss to 800 Gauss, depending in part on the electron emission sources used. Thus, when using sputtering magnetrons, a field strength of 100 Gauss to 800 Gauss, preferably one of 350 Gauss to 650 Gauss use.
[0072] Bei der Verwendung von Niedervoltbogenentladungen oder anderweitiger Niedervoltquellen genügen Feldstärken von 10 Gauss bis 500 Gauss, bevorzugterweise 50 Gauss bis 250 Gauss. When using low-voltage arc discharges or other low-voltage sources, field strengths of 10 Gauss to 500 Gauss, preferably 50 Gauss to 250 Gauss are sufficient.
[0073] In der Praxis hat es sich nun gezeigt, dass zur Erzielung einer homogenen und gleichbleibenden Schichtdicke die verschiedenen Parameter, wie das Erzeugen des Magnetfeldes wie auch die elektrische Ansteuerung der verschiedenen Anodensegmente dauernd angepasst werden muss, da bei Konstanthalten der diversen Einstellungen mit Schichtdicken und Schichtqualitätsschwankungen zu rechnen ist. In practice, it has now been shown that in order to achieve a homogeneous and consistent layer thickness, the various parameters, such as the generation of the magnetic field as well as the electrical control of the various anode segments must be constantly adjusted, as keeping the various settings with layer thicknesses constant and layer quality fluctuations can be expected.
[0074] Bei den in den Figuren dargestellten Anordnungen zum Erzeugen eines Plasmas handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, um die vorliegende Erfindung zu erläutern. Selbstverständlich sind Modifikationen der Anlage wie Geometrie von Kathode und Anode möglich, wie auch können die Anlagen durch weitere Elemente ergänzt werden. The arrangements for generating a plasma shown in the figures are, of course, only examples to illustrate the present invention. Of course, modifications of the system such as geometry of cathode and anode are possible, as well as the equipment can be supplemented by other elements.
Claims (22)
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CH5062010A CH702969A2 (en) | 2010-04-08 | 2010-04-08 | Apparatus for treating and/or coating glass surfaces with thin layers using plasma, comprises anode segments, and a magnetic assembly, where the segment is based on magnetic field that forces electrons to sputter cathode |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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ID=44774306
Family Applications (1)
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CH5062010A CH702969A2 (en) | 2010-04-08 | 2010-04-08 | Apparatus for treating and/or coating glass surfaces with thin layers using plasma, comprises anode segments, and a magnetic assembly, where the segment is based on magnetic field that forces electrons to sputter cathode |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102015106535A1 (en) * | 2015-04-28 | 2016-11-03 | Von Ardenne Gmbh | sputtering arrangement |
CN110777349A (en) * | 2019-11-07 | 2020-02-11 | 安徽超文玻璃科技有限公司 | Placement device for coated parts |
-
2010
- 2010-04-08 CH CH5062010A patent/CH702969A2/en not_active Application Discontinuation
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DE102015106535B4 (en) * | 2015-04-28 | 2021-02-04 | VON ARDENNE Asset GmbH & Co. KG | Sputtering arrangement |
CN110777349A (en) * | 2019-11-07 | 2020-02-11 | 安徽超文玻璃科技有限公司 | Placement device for coated parts |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
AZW | Rejection (application) |