DE10131232C1 - Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit oxidischem Material sowie Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Mit der Vorrichtung sind Substrate (7j) mit oxidischem Material zu beschichten. Hierzu enthält die Beschichtungsvorrichtung eine Beschichtungskammer (2), in deren Innenraum (3) eine Abscheidungseinrichtung (4) für das oxidische Material oder ein Vormaterial desselben angeordnet ist. In der Kammer (2) ist ein umlaufendes Transportband (9) vorhanden, an dem mehrere hintereinander angeordnete Substrate (7j) zu befestigen sind, die bei Umlauf des Bandes wiederholt durch den Abscheidungsbereich (6) der Abscheidungseinrichtung (4) zu befördern sind. Bei dem oxidischen Material kann es sich insbesondere um Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial oder ein hierfür geeignetes Puffermaterial handeln.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beschich­ tung von Substraten mit einem oxidischen, insbesondere supra­ leitenden Material, wobei die Vorrichtung eine evakuierbare Beschichtungskammer enthält, in deren Innenraum eine Einrich­ tung zur Abscheidung des oxidischen Materials oder eines Vor­ materials oder von Komponenten desselben auf den Substraten und gegebenenfalls Mittel zur besonderen Sauerstoffzufuhr in den Substratbereich vorhanden sind. Eine derartige Beschich­ tungsvorrichtung ist der DE 196 31 101 C2 zu entnehmen. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer derartigen Be­ schichtungsvorrichtung.

Mit der bekannten Vorrichtung können Schichten aus einem me­ talloxidischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur T_c, sogenanntes Hoch-T_c-Supraleitermaterial oder HTS- Material, auf einem großflächigen, plattenförmigen Substrat ausgebildet werden. Das Substrat mit einer Fläche von z. B. über 200 cm² soll dabei zum Aufbau eines supraleitenden Strombegrenzers dienen. Damit das HTS-Material eine ausrei­ chend gute Qualität besitzt, ist vielfach eine hochgradig o­ rientierte Substrat-Unterlage zwingend notwendig. Der kosten­ günstigste Aufbau ist zurzeit die Verwendung von polykristal­ linen Substraten, die mit einer biaxial texturierten Puffer­ schicht unter Vakuumbedingungen beschichtet werden. Als ein hierfür geeignetes Verfahren ist ein durch einen Ionenstrahl unterstützter Beschichtungsprozess bekannt, der auch als IBAD-(Ion Beam Assisted Deposition)-Verfahren bezeichnet wird (vgl. z. B. "Journ. Appl. Phys.", Vol. 55, No. 1, Januar 1984, Seiten 235 bis 242, oder Vol. 71, No. 5, März 1992, Seiten 2380 bis 2386 oder die DE 199 32 444 C1).

Die aus der eingangs genannten DE 196 31 101 C2 entnehmbare Beschichtungsvorrichtung enthält eine evakuierbare Beschich­ tungskammer, in der ein Substrathalter zur Aufnahme des groß­ flächigen Substrates vorhanden ist. Ferner ist in der Be­ schichtungskammer eine Abscheideeinrichtung wie z. B. mindes­ tens eine Verdampferquelle angeordnet, mit der ein Vormateri­ al des oxidischen Materials oder Komponenten desselben auf dem Substrat abzuscheiden sind. Das Substrat wird hierzu ak­ tiv geheizt. Außerdem sind Mittel zur Sauerstoffzufuhr in den Substratbereich vorgesehen, um dort das Vormaterial mit Sau­ erstoff zu beladen bzw. die Sauerstoffstöchiometrie des ge­ wünschten Endmaterials einstellen zu können. Der Substrathal­ ter kann periodisch hin- und herbewegt werden, um so eine gleichmäßige Beschichtung und/oder Sauerstoffbeladung zu ge­ währleisten. Bei einem derartigen, linear zu bewegenden Sub­ strathalter ist jedoch das Fassungsvermögen durch die Anla­ gengeometrie der Beschichtungskammer beschränkt. Wegen dieser Problematik kann bei einer speziellen Ausführungsform der be­ kannten Vorrichtung deren Beschichtungskammer mit Druck­ schleusen versehen sein, durch welche ein langgestrecktes, insbesondere band- oder drahtförmiges Substrat von außen in die Kammer einzuführen bzw. aus dieser wieder herauszuführen ist. Die Verwendung solcher Druckschleusen birgt jedoch die Gefahr von Dichtungsproblemen in sich.

Entsprechende Dichtungsprobleme treten auch bei einer Be­ schichtungsanlage auf, die aus der JP 61-19117 A zu entnehmen ist. Diese Anlage weist ein endlos umlaufendes Transportband auf, von dem sich jeweils ein Teil in einer CVD-Beschich­ tungskammer befindet. An dem Transportband sind Aufnahmebe­ hälter befestigt, in denen Si-Wafer anzuordnen sind, welche einmalig durch den Beschichtungsbereich der Kammer hindurch­ geführt werden. Hierzu müssen die Aufnahmebehälter beim Ein­ tritt in die Kammer und beim Austritt aus dieser Schleusen passieren.

Auf derartige Schleusen kann bei einer Vakuumbeschichtungsan­ lage verzichtet werden, die aus der DE 28 44 491 C2 hervor­ geht. Diese Anlage enthält nämlich eine Vakuumkammer, welche in mehrere Teilkammern unterteilt sein kann, durch die endlos und parallel zwei Transportketten laufen. Zwischen diese Transportketten sind mehrere Substrate einzuhängen. Es wird so ermöglicht, dass die Substrate einmalig nacheinander un­ terschiedliche Stationen der Beschichtungsanlage mit Katho­ denanordnungen durchlaufen können. Damit ist die Anlage nur zum Aufbringen extrem dünner Schichten wie z. B. auf Linsen oder Spiegel geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Beschichtungs­ vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass in ihr auf einfache Weise mehrere Sub­ strate mit Oxidmaterialien größerer Schichtdicke zu beschich­ ten sind, ohne dass es der Druckschleusen der bekannten Vor­ richtung bedarf. Ferner sollen bevorzugte Verwendungen der Vorrichtung angegeben werden.

Die sich auf die Vorrichtung beziehende Aufgabe wird erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, dass in deren Beschichtungskammer an einem umlaufenden Transportband mehrere hintereinander an­ geordnete Substrate zu befestigen sind, die beim Umlauf des Transportbandes wiederholt durch den Abscheidungsbereich der Abscheidungseinrichtung zu befördern sind.

Mit einer derartigen Ausgestaltung der Beschichtungsvorrich­ tung sind insbesondere folgende Vorteile verbunden:

• a) Bei Beschichtungsprozessen, die ohne aktive Heizung oder Kühlung der Substrate auskommen und die eine Substrattem­ peratur erfordern, die sich durch den Beschichtungsprozess von selbst einstellt (z. B. im Fall des IBAD-Verfahrens von maximal 100°C) kann die Beschichtungsrate einer solchen Vorrichtung deutlich erhöht werden. Der Grund dafür ist, dass sich die bei dem Abscheidungsvorgang deponierte Wär­ meenergie bei einer periodischen Bewegung auf eine größere Fläche als bei einem einzelnen Substrat verteilt.
• b) Das Fassungsvermögen der Vorrichtung wird durch die Ver­ wendung des umlaufenden Transportbandes vervielfacht. Im Gegensatz dazu ist bei der bekannten Vorrichtung eine Er­ höhung des Fassungsvermögens z. B. mittels Substratmagazi­ nen auf Grund einer erforderlichen Periodizität der Be­ schichtung nicht möglich. Hingegen ergeben sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen deutliche Effizienzgewinne beim Betrieb: Der Anteil des Arbeitsaufwandes für den Ein­ bau von Substraten, Abpumpen einer erforderlichen Vakuum­ anlage, Anfahren des Beschichtungsprozesses, Abschalten des Beschichtungsprozesses, Belüften und Entnahme der Sub­ strate reduziert sich nämlich deutlich.
• c) Eine schon bestehende Beschichtungsvorrichtung lässt sich mit einem umlaufenden Transportband verhältnismäßig leicht zu der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung umrüs­ ten.
• d) Falls erforderlich, können auch zeitlich längere Beschich­ tungsprozesse vorgenommen werden, die auch automatisiert auszuführen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann die Abscheidungseinrichtung insbesondere eine Sputte­ reinrichtung zum Absputtern eines Sputtertargets aus dem Vor­ material durch Sputterionen sein. Eine solche Abscheidevor­ richtung kann ferner als IBAD-Anlage konzipiert sein, indem zusätzlich Mittel zur Erzeugung eines schräg auf das jeweili­ ge Substrat unter einem vorbestimmten Winkel zu richtenden Strahls von Gasionen vorgesehen sind.

Selbstverständlich sind auch andere Abscheidungseinrichtungen der PVD(Physical Vapor Deposition)-Technik für die Beschich­ tungsvorrichtung geeignet.

Vorteilhaft kann die Vorrichtung zur Abscheidung eines oxidi­ schen Pufferschichtmaterials verwendet werden, auf dem ein weiteres oxidisches Material, insbesondere ein oxidisches Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur (HTS-Material) abzuscheiden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In deren einziger Figur ist eine Beschichtungskammer einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung im Schnitt veranschau­ licht.

Bei der Beschichtungsvorrichtung nach der Erfindung wird von an sich bekannten Apparaturen (vgl. z. B. die genannte DE 196 31 101 C2) ausgegangen. Gegenüber diesen Apparaturen eröffnet die Beschichtungsvorrichtung nach der Erfindung die Möglichkeit, die lokale Beschichtungsrate bei gleichbleiben­ der Substrattemperatur deutlich zu erhöhen und gleichzeitig noch das Fassungsvermögen der Vorrichtung an Substratfläche zu steigern. Hierzu weist die Vorrichtung gemäß der Figur ei­ ne Beschichtungskammer 2 auf, in deren evakuierbarem Innen­ raum 3 eine an sich bekannte Abscheidungsvorrichtung 4 der PVD-Technik angeordnet ist. Diese Abscheidungsvorrichtung dient zur Abscheidung eines Vormaterials des gewünschten oxi­ dischen Materials oder von Komponenten desselben. Außerdem können gegebenenfalls Mittel zu einer besonderen Sauerstoff­ zufuhr vorhanden sein. Bei der Abscheidungseinrichtung kann es sich insbesondere um eine Sputtereinrichtung handeln, mit der das Vormaterial durch Sputterionen von einem entsprechen­ den Sputtertarget abzusputtern ist. Ein aus der Abscheidungs­ einrichtung austretender Strahl von abgesputterten Material ist mit 5 bezeichnet. Dieser Strahl ist in einem Abschei­ dungsbereich 6 senkrecht auf zu beschichtende Substrate 7j gerichtet. Diese Substrate sind mittels geeigneter Halterun­ gen, von denen in der Figur nur einige angedeutet und mit 8j bezeichnet sind, an einem umlaufenden Transportband 9 befes­ tigt. Dieses Transportband bewegt sich in einer Bewegungs­ richtung 10, indem es über seitliche Umlenkrollen 11 und 12 umläuft, die mit einem in der Figur nicht dargestellten An­ trieb ausgestattet sind. In der Figur sind ferner Blenden 13a und 13b angedeutet, mit denen der Strahl 5 des abgesputterten Materials in dem vorbestimmten Bereich 6 auf einen entspre­ chenden Teil des Transportbandes 9 und damit auf die in die­ sem Bereich befindlichen Substrate 7j beschränkt ist. Die einzelnen Substrate können so wiederholt durch den Abschei­ dungsbereich 6 der Abscheidungseinrichtung 4 hindurchlaufen. Damit ist eine gute Steuerbarkeit der pro Umlauf eingestell­ ten Dicke an abgeschiedenem Material zu gewährleisten.

Abweichend von der in der Figur angedeuteten Ausführungsform der Abscheidungseinrichtung kann diese zusätzlich noch mit Mitteln zur Erzeugung eines Strahls von Gasionen ausgestattet sein, die gemäß dem bekannten IBAD-Verfahren schräg auf das jeweilige Substrat unter einem vorbestimmten Winkel zu rich­ ten sind. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn zunächst auf dem Substrat oxidische Puffer­ schichten erzeugt werden sollen, die eine hinreichend gute Textur zur anschließenden Abscheidung hochqualitativer Schichten aus oxidischem HTS-Material aufweisen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, dass eine erfindungs­ gemäße Beschichtungsvorrichtung mehrere Abscheideeinrichtungen in ihrer Beschichtungskammer aufweist. Derartige Ausfüh­ rungsformen kommen insbesondere dann in Frage, wenn einzelne Komponenten des abzuscheidenden Materials aufgebracht werden sollen. Außerdem kann die Beschichtungskammer noch mit beson­ deren Mitteln zur Sauerstoffzufuhr an den einzelnen Substra­ ten versehen sein, falls das mit der Beschichtungseinrichtung aufzubringende Material eine hinreichende Sauerstoffstöchio­ metrie nicht gewährleistet.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit einem oxi­ dischen, insbesondere supraleitenden Material, wobei die Vor­ richtung eine evakuierbare Beschichtungskammer enthält, in deren Innenraum eine Einrichtung zur Abscheidung des oxidi­ schen Materials oder eines Vormaterials oder von Komponenten desselben auf den Substraten und gegebenenfalls Mittel zu ei­ ner besonderen Sauerstoffzufuhr in den Substratbereich vor­ handen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtungskammer (2) an einem umlaufenden Transportband (9) mehrere hintereinander angeordnete Substra­ te (7j) zu befestigen sind, die bei Umlauf des Transportban­ des (9) wiederholt durch den Abscheidungsbereich (6) der Ab­ scheidungseinrichtung (4) zu befördern sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Abscheidungseinrichtung (4) eine Einrichtung der PVD-Technik ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Abscheidungseinrichtung (4) eine Sputtereinrichtung zum Absputtern eines Sputtertar­ gets aus dem oxidischen Material oder dem Vormaterial oder den Komponenten durch entsprechende Sputterionen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zusätzlich Mittel zur Erzeu­ gung eines schräg auf das jeweilige Substrat (6j) unter einem vorbestimmten Winkel zu richtenden Strahls von Gasionen vor­ gesehen sind.

5. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Abscheidung eines oxidischen Supraleitermateri­ als mit hoher Sprungtemperatur.

6. Verwendung nach Anspruch 5 zur Abscheidung eines oxidi­ schen Pufferschichtmaterials, auf dem das oxidische Supralei­ termaterial anschließend abzuscheiden ist.