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Die
Erfindung betrifft eine Anlage zur Beschichtung von Substraten,
insbesondere eine Vakuumbeschichtungsanlage zur Beschichtung von
Silizium-Wafern, insbesondere für
die Photovoltaik.
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In
einer Beschichtungsanlage werden die zur Beschichtung eines Substrats
nötigen
Prozessschritte hintereinander ausgeführt. Bekannte Anlagen arbeiten
entweder im Durchlaufverfahren, in dem Substrate kontinuierlich
die Anlage durchlaufen, oder im sogenannten Batchbetrieb bei dem
ein großes
Waferlos in die Vakuumanlage geladen, prozessiert und dann entladen
wird.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine Beschichtungsanlage, insbesondere
eine Vakuumbeschichtungsanlage bereitgestellt, die im Takt-Betrieb
arbeitet und bei der der Substratfluss nicht notwendig aber vorzugsweise
im Kreis erfolgt. Als Prozessstationen weist die Beschichtungsanlage
eine Schleuse zum Be- bzw. Entladen des Substrats und mindestens
zwei unabhängig
voneinander arbeitende Beschichtungskammern zum stationären Beschichten
auf, die jeweils mit einer Plasmaquelle verbunden sind. Vorzugsweise
ist eine oder sind mehrere Heizstationen vorgesehen. Zum Überführen der Substrate
zwischen den Prozessstationen ist eine unter Vakuum arbeitende Handhabung
vorgesehen; diese kann beispielsweise in Form eines Drehtellers ausgeführt sein,
der durch eine Rotation die Substrate von einer Prozessstation zur
nächsten
befördert und
somit einen kreisförmigen
Substratfluss erzeugt.
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In
der Beschichtungsanlage wird eine bestimmte Losgröße von Substraten
statisch beschichtet. Beispielsweise können vier Silizium-Wafer gleichzeitig
bearbeitet werden. Es können
eine oder mehrere Funktionsschichten aufgetragen werden, wie eine
kombinierte Anti-Reflex- und Passivierungsschicht für poly-
oder monokristalline Solarzellen. Die Beschichtung kann auf mehrere
Einzelschritte aufgeteilt sein, beispielsweise drei oder mehr Schritte.
Für jeden
Beschichtungsschritt ist eine Plasmaquelle vorgesehen.
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Jede
Plasmaquelle ist individuell steuerbar und bildet einen separaten
Beschichtungsraum. Jeder Beschichtungsraum verfügt über ein selbständiges Vakuumerzeugungssystem
und über
eine einstellbare Gasversorgung. Die Beschichtung der Substrate
erfolgt vorzugsweise durch die plasmachemische Zersetzung der in
die Quelle eingeleiteten Gase (PECVD, Plasma-Enhanced-Chemical-Vapour-Deposition).
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In
einer Ausführungsform
wird Siliziumnitrid (Si3N4)
abgeschieden und zwar aus dem Precursor Silan (SiH4)
und dem Reaktivgas Ammoniak (NH3). Die Beschichtung
erfolgt bevorzugt von unten nach oben, so dass keine Partikel auf
das Substrat fallen; eine Beschichtung von oben nach unten ist jedoch ebenfalls
möglich.
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Neben
der eigentlichen Beschichtung ist vorzugsweise eine weitere Prozessstation
zum Aufheizen der Wafer vorgesehen. Die Substratheizung erfolgt
bevorzugt über
Wärmestrahlung
durch eine Batterie von Infrarotheizstrahlern. Eine freie Position kann
ferner entweder eine zusätzliche
Heizung, eine Kühlstation,
eine weitere Beschichtungsquelle oder prinzipiell eine beliebige
weitere Prozessstation aufnehmen. Die Reihenfolge der Funktion der
einzelnen Prozessstationen ist, dem Gesamtprozess angepasst, wählbar.
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Die
beschriebene Anlage bzw. Maschine kann in größere Produktionslinien integriert
werden. D. h. die Substrate werden von einer anderen Maschine übernommen,
wo vorgelagerte Prozessschritte stattfinden, und an nachstehende
Maschinen übergeben,
die die Substrate fertigprozessieren. In solchen Produktionslinien
ist es üblich,
die einzelnen Maschinen über
zusätzliche
Transporteinrichtungen zu verbinden. In der vorliegenden Erfindung
können diese
Transporteinrichtungen bereits integriert sein. Neben dem reinen
Transport können
die Transporteinrichtungen nach Art einer allgemeiner einsetzbaren
Handhabungseinrichtung auch noch die Ausrichtung der Substrate und
die Überführung in
eine getaktete Abfolge übernehmen.
Beides ist durch die vorgelagerte Maschine nicht zwangsläufig gewährleistet.
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Der
Substratfluss erfolgt vorzugsweise im Kreis, so dass im Gegensatz
zu einer linearen Maschine für
Ein- und Ausschleusen der Substrate nur eine Kammer benötigt wird.
Es wird ebenfalls nur ein Handling bzw. eine Handhabung benötigt, das
gleichzeitig zum Be- und Entladen der Schleuse dient. Weiterhin
wird durch diesen Ansatz die Stellfläche für die Maschine minimiert. Durch
eine bevorzugt kleine Losgröße von Substraten
kommt man mit einer kleinen Schleuse aus, die schnell evakuiert
oder geflutet werden kann. Auch das Volumen der Prozesskammern und
damit der Verbrauch an Prozessgasen ist minimiert.
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Beim
statischen Beschichtungsverfahren ruhen die Substrate während des
gesamten Beschichtungsprozess ortsfest unter einer ebenfalls ortsfesten Quelle.
Gegenüber
dem dynamischen Verfahren (bei sogenannten Durchlaufanlagen), wo
die Substrate mit einer bestimmten Geschwindigkeit unter der Quelle
hindurch fahren, bietet das statische Prinzip den Vorteil, dass
die Beschichtungsparameter zeitlich verändert werden können. Daher
ist es möglich, in
einer einzigen Beschichtungskammer eine Gradientenschicht, d. h.
eine Schicht, die in Richtung ihrer Dicke in ihren physikalischen
Eigenschaften variiert, aufgetragen werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil des statischen Beschichtungsverfahrens ist eine
von der Transportbewegung entkoppelte Beschichtung, wodurch die
Wiederholbarkeit der Ergebnisse gesteigert wird.
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Da
die Beschichtungskammern unabhängig voneinander
arbeiten, kann der Gradient oder die Variation der Schichteigenschaften
zusätzlich
innerhalb der Einzelschritte erzeugt werden. Grundsätzlich ist auch
die sequentielle Auftragung verschiedener Schichtmaterialien möglich. Eine
derartige Beschichtungsanlage ist besonders geeignet, neue Zellkonzepte
in der Photovoltaik zu ermöglichen.
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Beim
dynamischen Verfahren muss die Gleichmäßigkeit der Schicht nur entlang
einer Linie (senkrecht zum Fahrweg) kontrolliert werden. Die Gleichmäßigkeit
auf der Substratfläche
wird durch die konstante Fahrgeschwindigkeit erreicht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anlage
kann das Problem der flächigen
Homogenität
durch spezielle Gasverteiler für
Reaktiv- und Precursorgas sowie durch eine angepasste Geometrie des
Pumpquerschnittes gelöst
werden. Die Verteilung beider Gase, sowie die der Pumpleistung werden
dann mit der vorgegebenen Verteilung der Plasmadichte so überlagert,
dass maximale Homogenität über der
zu beschichtenden Fläche
erzielt wird.
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Neben
den Substraten werden auch Wandungen usw. der Prozesskammer beschichtet.
Die Anlage nutzt vorzugsweise ein Ätzverfahren zu deren Selbstreinigung.
Dabei wird ein Reinigungsgas über mindestens
einen Gasverteiler eingeleitet. Die Reinigung erfolgt ebenfalls
plasmaunterstützt.
Diese Selbstreinigung kann Inline, ohne erkennbare Downtime (Unterbrechung)
und ohne Personalbedarf erfolgen. Zur Umsetzung dieses Prinzips
sind einzelne oder alle Prozesskammern vorzugsweise mit geeigneten,
gegen das Reinigungsgas resistente Materialien ausgeführt.
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Während der
Reinigungszeit ist die Produktion in der Maschine unterbrochen.
In der Anlage gemäß der Erfindung
kann diese Unterbrechung aber kompensiert werden. Die Wafer, die
während
des Reinigungsintervalls (Dauer: einige Minuten) von der vorgelagerten
Maschine mit gegebener Zykluszeit t0 angeliefert
werden, werden in einem Zwischenspeicher gepuffert. Nach abgeschlossener
Reinigung erfolgt ein Beschichtungsintervall (Dauer: einige zehn Minuten).
In diesem Beschichtungsintervall werden die zwischengelagerten Wafer
zusätzlich
zu den weiterhin angelieferten Wafer, prozessiert. Das bedeutet,
dass die hier beschriebene Beschichtungsmaschine mit einer tatsächlichen
Taktzeit t1 arbeitet, wobei t1 < t0 gilt.
Die Übergabe
an die nachfolgende Maschine geschieht in ähnlicher Weise: Zusätzlich bearbeitete
Wafer werden zwischengespeichert und erst während des Reinigungsintervalls
abgegeben. Nach außen
hin arbeitet die Maschine also in einer effektiven Taktzeit, die
ebenfalls t0 ist und einen bestimmten Ausstoß an Wafer
pro Stunde ergibt, die für
alle Komponenten innerhalb der gesamten Produktionslinie gleich
ist. Der Vorteil ist, dass die Reinigung ohne erkennbaren Stillstand
der Anlage erfolgt und die restliche Produktionskette nicht beeinflusst.
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Die
Anlage kann als Modul mit weiteren Modulen parallel geschaltet werden,
wodurch sich der Ausstoß vervielfachen
lässt.
Durch diese modulare Erweiterbarkeit lässt sich das Anlagenkonzept
gut in existierende Gesamtproduktionslinien integrieren, deren Ausstoß vorgegeben
ist. Auch ein sequenzielles Verschalten von mehreren Modulen ist
möglich, um
dickere Schichten, komplexe Schichtsysteme oder Schichtsysteme von
Materialien mit niedriger Abscheiderate aufzubringen.
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Durch
die kleinen Losgrößen befinden
sich nur wenige Substrate gleichzeitig in der Maschine oder im Prozess.
Das vereinfacht die Qualitätssicherung,
bei der z. B. Inline-Messgeräte
Qualitätsschwankungen
der Beschichtung schnell feststellen und Warnungen weitergeben können, bevor
eine größere Anzahl
von Wafern fehlerhaft verarbeitet wird. Auch eine Rückkopplungs-(Closed-Loop)-Regelung der
Prozessparameter ist möglich.
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Somit
wird mit der vorliegenden Erfindung eine ökonomische Anlage bereitgestellt,
in der Teile wie Schleusen und Ladefunktionen in einem ausgewogenen
Verhältnis
zu den eigentlichen Prozesskammern stehen. Die Stellfläche für die Anlage
ist minimiert und optimal ausgenutzt. Zeiten für das nötige Abpumpen und Fluten der
Schleuse und das Einschleusen der Substrate in die Beschichtungskammern
sowie für
das Laden der Substrate können
minimiert werden. Die Schichteigenschaften können durch Gradienten oder
Schichtsysteme gezielt beeinflusst werden. Weiterhin kann der Aufwand,
insbesondere der Personalbedarf zur Reinigung der Anlage minimiert
werden oder sogar entfallen. Der Ausstoß der Anlage kann erhöht werden.
Die Reinigung der Anlage soll die übrige Produktionskette nicht
blockieren, ein kontinuierlicher Ausstoß soll gewährleistet sein.
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Da
herkömmliche
Maschinen entweder im Durchlaufverfahren oder im Batchbetrieb arbeiten,
ist eine Variation der Schichteigenschaften nicht möglich. Weiterhin
sind in bekannten Maschinen die Produktionslose im Allgemeinen größer, was
aufwändigere
Schleusen und längere
Abpumpzeiten erfordert. Bekannte Maschinen sind gewöhnlich linear
aufgebaut. Zur Reinigung werden die bekannten Maschinen in der Regel
nach einigen Tagen für
den Zeitraum einiger Stunden stillgelegt. Die restliche Produktionskette
produziert in diesem Zeitraum auf Lager.
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Merkmale
von Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind also:
- – Kleine Losgrößen und
damit Volumenminimierung von Schleusen- und Prozesskammern zur Erzielung
kurzer Ladezeiten und zur Minimierung der Prozessgasmengen;
- – Materialfluss
im Kreis und damit kleine Stellfläche, da Ein-/Ausschleusen bzw.
Be-/Entladen kombiniert werden;
- – Statisches
Beschichtungsverfahren und dadurch gezielte Beeinflussung der Schichteigenschaften
entlang der Schichtdicke;
- – Voneinander
unabhängige
Beschichtungskammern und damit zusätzliche Flexibilität beim Schichtaufbau
(Systeme aus mehreren Schichten möglich);
- – Schichthomogenität durch
optimierte Verteilung von Prozessgasen und Pumpleistung;
- – Inline-Reinigungskonzept
ohne Standzeit und damit verringerter Personalbedarf und höhere Produktivität;
- – Flexibilität beim Ausstoß in Wafer
pro Stunde durch parallele, modulare Erweiterbarkeit;
- – Flexibilität im aufgebrachten
Schichtsystem, Schichtmaterial und Schichtdicke durch serielle, modulare
Erweiterbarkeit;
- – Einfache
Prozesskontrolle durch wenig Substrate, die sich gleichzeitig im
Prozess befinden; und
- – Rezeptgesteuerter
Prozess, und damit hohe Flexibilität.
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Hierdurch
können
insbesondere folgende Vorteile erzielt werden: Kurze Taktzeiten,
ein optimierter Verbrauch der Ausgangsmaterialien, eine kleine Stellfläche der
Anlage, Flexibilität
bei der Schichtarchitektur und dadurch geeignet für zukünftige Zellkonzepte,
bei denen dieser Sachverhalt entscheidend sein kann, hohe Schichthomogenität, ein geringerer
Personalbedarf, geringe Stillstandzeiten, hohe Produktivität, Flexibilität beim Ausstoß (Produktionsleistung),
einfache Prozesskontrolle, und closed-Loop-Regelung.
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Neben
Silizium-Wafern können
auch andere Substrate passender Abmessung beschichtet werden. Auch
eine Anordnung mit beidseitiger Beschichtung von Substraten ist
möglich.
Es gibt keine Einschränkung
bei den Prozessgasen. Die Siliziumnitridschicht kann mit allen weiteren
Reaktionsgasen oder gasförmigen
bzw. durch Verdampfen in die Gasphase überführbaren Precursoren abgeschieden werden,
sofern diese die benötigten
Elemente Si und N liefern. Außer
Siliziumnitrid kann jede andere Schicht aufgebracht werden, solange
ihre Bestandteile durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung
prozessierbar sind. Neben der Beschichtung kann die Anlage auch
genutzt werden, um Substrate durch den beschriebenen Ätzprozess
zu reinigen oder zu strukturieren.
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Die
Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die
Figuren zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine Beschichtungsanlage gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Schleuse mit einem Vierer-Waferlos zur Verwendung in einer Beschichtungsanlage gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine
Be- und Entlade-Handhabungseinrichtung zur Verwendung mit einer
Beschichtungsanlage gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 1 weist
eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage
gemäß einer
Ausführungsform eine
Schleuse 2 mit einem Schleusen-Handling (Handhabungseinrichtung) 3 und
mehrere Prozessstationen 4 bis 8 auf. Über das
Schleusen-Handling 3 mit Schleusendeckel 9 wird
ein Substratlos in die Schleuse 2 der Beschichtungsanlage 1 überführt. Eine
entsprechende Schleuse 2 mit Vierer-Waferlos 10 ist
in 2 gezeigt. Das Vierer-Waferlos 10 ist
auf einem Transportcarrier 11 angeordnet. Dieser Transportcarrier 11 wird
in die Schleusenkammer 12 überführt. Die Beschichtungsanlage
der dargestellten Ausführungsform
weist drei Beschichtungskammern 5 bis 7 und eine
Heizstation 8 auf. Zusätzlich
ist eine freie Prozessstation 4 vorgesehen, in die – nach Bedarf – eine zusätzliche
Heizstation, eine Kühlstation oder
eine weitere oder andersartige Beschichtungskammer eingesetzt werden
können.
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In 3 ist
eine Be- und Entlade-Handhabungseinrichtung gezeigt, mit der die
Beschichtungsanlage gemäß der vorliegenden
Erfindung in eine vorhandene Produktionslinie integriert werden
kann. Über
ein Anlieferungsband 13 werden die Substrate 10,
insbesondere die Wafer an- bzw. abgeführt. Von diesem Anlieferungsband 13 wird
durch ein Be- und Entladehandling 14 das Substrat bzw.
Waferlos aufgenommen und mit dem in 2 gezeigten
Transportcarrier 11 in die Beschichtungsanlage 1 eingebracht.
Die durch das Anlieferungsband 13 gelieferten Substrate 10 werden
auf einem Drehteller 15 im Viererlos von einer Position
zur nächsten
befördert. Vier
Substrate 10 sind dabei auf Transportcarriern 11 angeordnet,
wie sie in 2 dargestellt sind.