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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. So beschreibt bspw. die
JP 2001-127 135 A eine Beschichtungsanlage, bei der der Transport der Substrate mittels vier separaten Substrathaltern erfolgt, welche jeweils auf inneren Oberflächen entsprechender Ventilkörper angebracht sind. Insbesondere beim Be- und Entladen der Substrate müssen dabei die Substrate von den vier Substrathaltern der Substratbereitstellungseinrichtung auf die entsprechenden Substrathalter übertragen werden. Dies macht die Handhabung der Substrate im Verlauf des gesamten Beschichtungsprozesses umständlich und fehleranfälliger.
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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 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 in Form eines Drehtellers vorgesehen, 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 Prozesskammem 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 Wafern, 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 Wafern 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 Prozesskammem 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:
- 1 eine Draufsicht auf eine Beschichtungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Schleuse mit einem Vierer-Waferlos zur Verwendung in einer Beschichtungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 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.
