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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten mittels Vakuumbedampfung. Es betrifft insbesondere die Beschichtung großflächiger Substrate wie es beispielsweise zur Bedampfung von Architekturglas, zur Beschichtung von bandförmigem Material oder zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen bekannt ist.
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Bei der Vakuumbedampfung wird das Beschichtungsmaterial im Vakuum auf eine hinreichend hohe Temperatur erhitzt, worauf sich das nunmehr dampfförmige Material auf einem Substrat niederschlägt. Das schließt auch reaktive und ionenunterstützte und plasmaangeregte Bedampfungsprozesse ein. Für die Verdampfung des Beschichtungsmaterials sind verschiedene Energiequellen bekannt, beispielsweise mittels Elektronenstrahls. Die beim Verdampfen des Beschichtungsmaterials entstehenden Dampfteilchen haben im Vergleich zu plasmagestützten PVD-Verfahren, wie beispielsweise das Sputtern, eine geringe Energie, so dass bei deren Abscheidung auf dem Substrat Schichten mit Strukturen und Eigenschaften entstehen können, die noch nicht dem Veredelungsziel des Anwenders entsprechen. Demgegenüber ist jedoch von Vorteil, dass für den Verdampfungsprozess kein Prozessträgergas erforderlich ist. Daher erfolgt bei der Schichtbildung auch kein Einbau solcher Gasatome.
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Neben der Schichtstruktur und den damit verbundenen Schichteigenschaften ist die Beschichtungsrate ein wesentliches Kriterium zur Beurteilung eines Beschichtungsverfahrens. So ist beispielsweise die Beschichtungsrate von Hochrateverdampfungsverfahren um bis zu zwei Größenordnungen höher als die Beschichtungsrate von Magnetronsputterverfahren. Dieser Unterschied wirkt sich insbesondere auf die Beschichtung großflächiger Substrate in der industriellen Fertigung aus. Grundsätzlich besteht für die industrielle Fertigung von Schichten und Schichtsystemen in Durchlaufanlagen die Forderung, hohe Beschichtungsraten mit einem langzeitstabilen Prozess und im Ergebnis Schichten mit speziellen Eigenschaften und Strukturen zu erzielen. Zur Beschichtung großflächiger Substrate hat sich von den PVD-Verfahren die Vakuumbedampfung insbesondere aufgrund ihrer hohen Abscheideraten industriell etabliert. Zur Verbesserung der energetischen Eigenschaften des dampfförmigen Beschichtungsmaterials finden plasmagestützte Bedampfungsverfahren Anwendung, bei denen das dampfförmige Beschichtungsmaterial zumindest anteilig ionisiert wird. Jedoch ist infolge der Plasmaeinwirkung eine starke Absenkung der Beschichtungsrate und mangelnde Langzeitstabilität festzustellen. Außerdem sind bestimmte plasmagestützte Verfahren nur mit einigen wenigen, geeigneten Verdampfungsmaterialien möglich.
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Zur Verbesserung oder gezielten Einstellung der Schichteigenschaften wie beispielsweise der Haftfestigkeit, Beständigkeit gegenüber verschiedenen Medien oder optischer und elektrischer Eigenschaften werden verschiedene Behandlungen des Substrats oder der abgeschiedenen Schicht eingesetzt.
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So ist die Substratvorbehandlung durch Wärme- oder Plasmaeinwirkung allgemein bekannt. Sie wirkt sich aber oft nur in geringem Maße auf die Schichtstruktur aus und wird allgemein zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Schicht eingesetzt. Gleichermaßen findet zur Einstellung bestimmter Schichteigenschaften, beispielsweise der Transparenz, eine thermische Nachbehandlung der aufgedampften Schicht statt. Aus der
WO 2006/038875 A1 und der
WO 81/00789 A1 sind z. B. nachträgliche Behandlungen zur Kristallisation eines amorph abgeschiedenen Materials beschrieben. Eine direkte Beeinflussung des Abscheidevorgangs und des Kristallwachstums hingegen ist aus der
EP 0336 672 A2 bekannt, in der ein Metall-organisches Epitaxie-Verfahren durch Laser-Einwirkung unterstützt wird.
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Die Nachbehandlung durch Heizen von Substrat und Schicht außerhalb der Beschichtungsanlage führt jedoch zu Einschränkungen der Produktivität aufgrund eines zusätzlichen, externen Fertigungsschritts. Einer Nachbehandlung als Inline-Prozessschritt steht wegen des Durchlaufprinzips nur ein begrenzter Wirkungszeitraum zur Verfügung. Zudem darf oft das Substrat-Schicht-System nicht vollständig nachgeheizt werden. Vielmehr ist eine selektive Einwirkung auf die Schicht erforderlich. So soll häufig eine homogene thermische Behandlung einer Schicht erfolgen, die Behandlung jedoch nur bis zur Substratoberfläche begrenzt sein.
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Zur Beeinflussung der Schicht während des Abscheidens, wird in der
DE 197 52 889 C1 die Bedampfung mit einer Plasmaeinwirkung kombiniert, so dass die elektrische Leitfähigkeit einer transparenten leitfähigen Schicht erhöht werden kann. Aber auch hier wirkt sich wie oben dargelegt der Plasmaeinfluss negativ auf die Beschichtungsrate aus.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die auch Hochratebeschichtungen mit dynamischen, d. h. auf bewegten Substraten erzielten Raten über 1 μm·m/min ermöglichen und die eine selektive Beeinflussung der Eigenschaften und der Struktur zumindest einer Schicht während eines Inline-Prozesses zur Herstellung einer Schicht oder eines Schichtsystems auf einem Substrat gestatten.
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Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren überlagert den Beschichtungsprozess durch eine Behandlung der abgeschiedenen Schicht noch während der Beschichtung und/oder schließt sich unmittelbar an die Beschichtung an. Dazu wird ein Elektronenstrahl direkt oder mittels einer geeigneten Vorrichtung zur Strahlumlenkung, hier als Umlenksystem bezeichnet, auf einen definierten Abschnitt des Substrats gerichtet, welcher sich noch innerhalb einer Prozessöffnung befindet, und überstreicht diesen Abschnitt mittels einer geeigneten Strahlablenkung.
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Als Prozessöffnung wird allgemein ein für die Einwirkung einer Prozessquelle auf das Substrat freigegebener Bereich bezeichnet. Die Prozessöffnung ist insbesondere durch den Aufbau der Anlage, beispielsweise Blenden in der Beschichtungskammer, und/oder von der Wirkungsweise und Wirkungsrichtung der betrachteten Prozessquelle bestimmt. Als Prozessquelle werden Vorrichtungen angesehen, die in irgendeiner Weise eine Behandlung des Substrats und/oder bereits abgeschiedener Schichten ausführen, beispielsweise den Verdampfer oder Plasma- oder Energiequellen. Die Prozessöffnung enthält in der hier beschriebenen Vorrichtung sowohl die Beschichtungszone, in der sich dampfförmiges Beschichtungsmaterial auf dem Substrat niederschlägt, als auch zumindest eine Heizzone, in welcher eine Wärmebehandlung der abgeschiedenen Schicht erfolgt. In verschiedenen Ausgestaltungen des Verfahrens können eine oder beide Zonen mit der Prozessöffnung identisch sein. Ergänzend kann auch eine thermische Vorbehandlung des Substrats, wie aus dem Stand der Technik bekannt erfolgen, z. B. auch innerhalb der Prozessöffnung.
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Die Beschichtungszone kann sich folglich über die gesamte Prozessöffnung erstrecken oder durch Ausblendung eines Teils des Dampfstroms durch Kammereinbauten wie Blenden und Abschirmungen kleiner als die Prozessöffnung sein. In letzterem Fall lässt die Prozessöffnung einen Bereich des Substrats frei, auf welchem noch keine Schicht bzw. bereits eine Schicht vollständig abgeschieden ist und der unmittelbar an die Beschichtungszone angrenzt. Auch dieser, hier Nachbarzone benannte Bereich steht zur Elektronenstrahlbehandlung zur Verfügung.
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In beiden Fällen greift die Elektronenstrahlbehandlung in die Energiebilanz des Abscheidungsprozesses ein und ist damit in der Lage, die Struktur der aufwachsenden oder aufgewachsenen Schicht direkt zu modifizieren. Der Eingriff erfolgt jedoch in der Weise, dass die Bedampfung nur geringfügig beeinflusst wird und Vorteile der Vakuumbedampfung erhalten bleiben, insbesondere deren hohe Beschichtungsrate und die mittels geeigneter Dampfquellanordnung erzielbare Schichthomogenität.
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Aufgrund der Nähe zum Beschichtungsprozess ist auch eine Integration in Inline-Beschichtungsanlagen problemlos möglich, selbst in bestehende Anlagen. Die erfindungsgemäße thermische Behandlung der aufwachsenden oder aufgewachsenen Schicht gestattet es zudem, eine thermische Vorbehandlung des Substrats vor der Beschichtung vollständig einzusparen oder zumindest zu minimieren. Dadurch ist beispielsweise eine bei Inline-Anlagen stets angestrebte Verminderung in der Anlagenlänge und der Durchlaufzeit aber auch eine Verbesserung der Energiebilanz durch Vermeidung zusätzlicher Abkühl- und Aufheizzyklen möglich.
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Lage, Größe und Gestalt der Heizzone ist durch ein Überstreichen des Substrats mit dem Elektronenstrahl sehr variabel einstellbar und hängt von verschiedenen Parametern des Beschichtungsprozesses ab. Grundsätzlich kann mindestens ein Elektronenstrahl, alternativ jedoch auch mehrere mittels geeigneter Ablenkprogramme über die gesamte Prozessöffnung oder einen Teil davon bewegt werden. Zu berücksichtigen sind dabei insbesondere die thermischen Bedingungen des Beschichtungsprozesses, die Art des Schichtmaterials und die Eigenschaften des Substrats.
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So beeinflusst das Schichtmaterial selbst die Ausbreitung der Wärme innerhalb der Schicht sowie in darunter liegende weitere Schichten und das Substrat. Über die Einstellung der Ablenkgeschwindigkeit, der Elektronenstrahlfigur, des Fokus und des Leistungseintrages gestattet das erfindungsgemäße Verfahren auch die Modifizierung der Schicht in definierten Ausdehnungen und Tiefen. Insbesondere sind die Auswirkungen auf das Substrat gut zu beschränken.
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Die Möglichkeiten der Elektronenstrahlauslenkung sind durch die Wahl der Elektronenstrahlquelle variabel. Beispielsweise kann eine linearisierte oder eine axialsymmetrisch gebündelte und fokussierte Elektronenstrahlquelle verwendet werden, welche verschiedene Programme zur Ablenkung des Elektronenstrahls innerhalb der Quelle aufweisen, erstere mit einer, letztere mit einer weiteren Ablenkrichtung. Erstere ist beispielsweise für ein linienweises Überstreichen der Heizzone geeignet. Alternativ ist auch ein vollflächiges Überstreichen der Heizzone im Sinn eines Scannens der Heizzone möglich.
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Bei der Verwendung eines Umlenksystems, mit welchem der aus der Quelle ausgetretene Elektronenstrahl in Richtung Substrat umgelenkt wird, sind weitere Modifikationen der Ausdehnung der Heizzone möglich.
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Darüber hinaus ist bei einer dynamischen Schichtabscheidung, d. h. bei einer Abscheidung der Schicht auf einem durch die Dampfwolke bewegten Substrat, das Wandern des Auftreffortes des Elektronenstrahls aufgrund der Substratbewegung gegenüber einem unbewegten Substrat zu berücksichtigen und eine Überlagerung der Substratbewegung mit einem Ablenken des Elektronenstrahls für eine partielle Erwärmung der gerade aufwachsenden oder gerade abgeschiedenen Schicht möglich.
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So können in einer Ausgestaltung des Verfahrens beispielsweise zwei linienförmige Abschnitte innerhalb der Heizzone erwärmt werden, die quer zur Substrattransportrichtung angeordnet sind und in Abhängigkeit von der Substrattransportgeschwindigkeit so nah beieinander liegen, dass sich die Erwärmung der aufwachsenden oder aufgewachsenen Schicht auf beiden Linien infolge der Bewegung des Substrats relativ zu den Linien überlagert. Dabei wird ein entlang der ersten Linie bereits erwärmter und möglicherweise bereits modifizierter Abschnitt weiter erwärmt und gegebenenfalls nochmals modifiziert. Selbstverständlich kann diese linienförmige Anordnung auch durch mehr als zwei Linien gebildet werden, wobei in Abhängigkeit von dem Ablenkprogramm der Elektronenstrahlquelle, der Anzahl der Linien und gewünschter Differenzierungsmöglichkeiten von Linie zu Linie eine oder mehr Elektronenstrahlen verwendet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sowohl am bewegten als auch am unbewegten Substrat gestattet es, dass eine aufwachsende Schicht während ihres Wachsens Teilschicht für Teilschicht behandelt wird. Dabei erfolgt ein Überstreichen eines Flächenabschnitts in der Heizzone zum wiederholten Mal. Grundsätzlich können ein bis einige Tausend Flächenbeaufschlagungen des zu behandelnden Schichtwachstumgebiets auf dem Substrat während der Beschichtungsdauer und bei bewegten Substraten während des Weges des betreffenden Flächenabschnitts durch die Beschichtungszone erfolgen. Entsprechend viele aufwachsende Teilschichten werden nacheinander thermisch behandelt und damit entsprechende Schichteigenschaften oder Schichtstrukturen eingestellt. Dabei ist die Eindringtiefe der Wirkung der Behandlung in die aufwachsende Schicht hinein umso kleiner, je höher die Geschwindigkeit der Elektronenstrahlablenkung und damit die Geschwindigkeit eines Erwärmungszyklus, den die Schicht und gegebenenfalls auch das Substrat erleidet, sind.
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Mit den dargestellten Möglichkeiten der in Schichttiefe und Ausdehnung sehr variablen Gestaltung des Verfahrens ist es möglich, solche Prozesse im Verlauf eines Beschichtungsvorganges oder eines Substratdurchlaufs zu realisieren, für den sonst sehr aufwendige Prozeduren erforderlich wären. So können zum Beispiel oberflächliche Legierungen hergestellt werden, für die sonst weitere Beschichtungsvorgänge oder zusätzliche Nachheizprozesse notwendig wären. Dabei wird eine oberflächliche Teilschicht so weit erwärmt, dass sich eine Legierung bildet, welche besondere Eigenschaften aufweist.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird eine aufwachsende Siliziumschicht, welche als Absorber in einer Solarzelle verwendet wird, während der Abscheidung kristallisiert.
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Anordnungsseitig wird eine Vakuumbedampfungsanlage um eine Elektronenstrahlquelle ergänzt, deren Elektronenstrahl jedoch direkt oder durch Umlenkung auf die Prozessöffnung gerichtet ist, so dass ein darin angeordnetes oder darüber hinweg laufendes Substrat innerhalb seiner Beschichtungs- bzw. Nachbarzone vom Elektronenstrahl getroffen wird. Dabei ist es unerheblich, welche Energiequelle in der Verdampfungseinrichtung für die Verdampfung des Beschichtungsmaterials verwendet wird. Beide Energiequellen, die erste zur Verdampfung des Materials und die zweite zur Erwärmung der Schicht sind voneinander unabhängige Prozessquellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung auch mit einer Elektronenstrahlverdampfung kombinierbar. Aufgrund der möglichen Umlenkung der Elektronenstrahlen mit einem geeigneten, magnetischen Umlenksystem auf das Beschichtungsmaterial in der Verdampfungseinrichtung einerseits und auf das Substrat andererseits ist auch die Anordnung von zwei oder mehreren Elektronenstrahlquellen in einer Beschichtungskammer möglich. Während die zur Verdampfung benötigten Elektronenstrahlen auf das Verdampfungsmaterial gelenkt werden, werden die Elektronenstrahlen zum Heizen auf das Substrat umgelenkt. Dabei können beide Elektronenstrahlen entweder durch ein gemeinsames Umlenksystem oder durch ein ihnen zugeordnetes, eigenes Umlenksystem auf ihren jeweiligen Prozessort gerichtet werden.
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Die Beschleunigungsspannungen für die Elektronenstrahlquellen zur Verdampfung einerseits und zur Behandlung der Schicht andererseits können prozessangepasst unterschiedlich sein, um entsprechend dem magnetischen Umlenkfeld die jeweiligen Prozessorte in geeigneter Weise zu beaufschlagen.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in
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1 Einrichtungen in einer Vakuumbeschichtungskammer zur Ausführung des Verfahrens mittels zwei Elektronenstrahlquellen und zwei Umlenksystemen und
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2 Einrichtungen in einer Vakuumbeschichtungskammer zur Ausführung des Verfahrens mittels zwei Elektronenstrahlquellen und eines gemeinsamen Umlenksystems.
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Eine Beschichtungskammer gemäß der 1 und 2, die regelmäßig von Kammerwandungen (nicht dargestellt) umgeben ist, umfasst eine Verdampfungseinrichtung 1 zur Elektronenstrahlverdampfung mit einem Verdampfertiegel 2 und einer Verdampferkanone 3. Die Verdampferkanone 3 erzeugt einen Elektronenstrahl 7, welcher mittels eines ersten, magnetischen Umlenksystems 9 auf das im Verdampfertiegel angeordnete feste oder flüssige Beschichtungsmaterial 5 gerichtet ist, um dieses zu verdampfen. Mittels eines Ablenksystems (nicht dargestellt) der Verdampferkanone 3 wird der Elektronenstrahl 7 dabei derart abgelenkt, dass er auf dem festen oder flüssigen Beschichtungsmaterial 5 eine punkt-, linien- oder flächenhafte Dampfquelle 11 erzeugt, die in den Schnittdarstellungen des Verdampfertiegels 2 lediglich als Punkt am Fußpunkt des Elektronenstrahls 7 dargestellt ist.
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Von der Dampfquelle 11 steigt das dampfförmige Beschichtungsmaterial 5 auf und breitet sich in Richtung Substrat 13 aus. Das Substrat 13 ist der Oberfläche des festen oder flüssigen Beschichtungsmaterials 5 gegenüber liegend angeordnet und wird mittels eines Transportsystems (nicht dargestellt) in Substrattransportrichtung 14 durch die Beschichtungskammer bewegt. Ein Bereich gegenüber dem Verdampfertiegel 2 wird durch Blenden 15 begrenzt. Er stellt die Prozessöffnung 17 dar. Innerhalb der Prozessöffnung 17 wird das dampfförmige Beschichtungsmaterial 5 auf dem Substrat 13 abgeschieden. Dies erfolgt in der Beschichtungszone 19, die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zusätzliche Abschirmungen 16 kleiner ist, als die Prozessöffnung 17.
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Mittels einer weiteren Elektronenstrahlquelle als Heizkanone 23 wird ein zweiter Elektronenstrahl 7 auf einen Abschnitt der Prozessöffnung 17 gerichtet, um die darin bereits abgeschiedene Schicht (nicht dargestellt) zu erwärmen und auf diese Weise zu modifizieren. Mithilfe des Ablenksystems der Heizkanone 23 wird der Elektronenstrahl 7 sowohl senkrecht zur Substrattransportrichtung 14 ausgelenkt als auch parallel dazu bewegt (durch einen Pfeil dargestellt), so dass der Elektronenstrahl einen flächenhaften Abschnitt, die Heizzone 21 überstreicht. Die Heizzone 21 erstreckt sich über die gesamte Breite des Substrats 13.
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Heizkanone 23 und Verdampferkanone 3 werden mit unabhängig voneinander einstellbaren Beschleunigungsspannungen betrieben, die im Spezialfall auch gleich sein können. Im letzteren Fall kann auch eine gemeinsame Hochspannungsversorgung (hier nicht dargestellt) eingesetzt werden.
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In 2 ist eine weitere Beschichtungskammer (Kammerwandungen nicht gezeigt) dargestellt, deren grundsätzlicher Aufbau und deren grundsätzliche Arbeitsweise der in 1 entspricht. Insoweit beide Beschichtungskammern übereinstimmen wird auf die Darlegungen zu 1 verwiesen. Die Beschichtungskammer in 2 unterscheidet sich von jener in 1 durch die Verwendung eines gemeinsamen Umlenksystems 9. Mit diesem Umlenksystem können oben beschriebene Funktionen beider Elektronenstrahlen 7 gleichermaßen realisiert werden. Wie zuvor beschrieben, sind die Ausgestaltungen der Beschichtungskammer und der verschiedenen Zonen auf dem Substrat 13 jedoch nicht auf die dargestellten beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfungseinrichtung
- 2
- Verdampfertiegel
- 3
- Verdampferkanone
- 5
- Beschichtungsmaterial
- 7
- Elektronenstrahl
- 9
- Umlenksystem
- 11
- Dampfquelle
- 13
- Substrat
- 14
- Substrattransportrichtung
- 15
- Blende
- 16
- Abschirmungen
- 17
- Prozessöffnung
- 19
- Beschichtungszone
- 21
- Heizzone
- 23
- Heizkanone
