DE102010061939A1 - Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen auf bandförmigen Substraten - Google Patents

Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen auf bandförmigen Substraten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen auf bandförmigen Substraten in einer Prozesskammer, in der sich mindestens eine schichtbildende Einrichtung befindet, wobei das bandförmige Substrat von einem Abwickler abgezogen und über verschiedene Walzen schließlich auf einen Aufwickler geführt wird. Durch die Erfindung soll eine Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen und/oder Schichten mit großer Dicke auf bandförmigen Substraten geschaffen werden, die effektiv arbeitet und die Herstellung solcher Mehrfachschichtsysteme mit guter Qualität ermöglicht. Erreicht wird das dadurch, dass in der Prozesskammer (1) mit den schichtbildenden Einrichtungen (5, 5', 5'') mindestens eine hohle Prozesswalze (2) angeordnet ist, in der sich eine schlitzförmige Öffnung (6) befindet, dass in der Prozesswalze (2) ein Abwickler (3) und ein Aufwickler (3') für das bandförmige Substrat (4) nebeneinander drehbar angeordnet sind und dass das bandförmige Substrat (4) von Abwickler (3) durch die Öffnung (6) über die Außenmantelfläche der Prozesswalze (2) durch die Öffnung (6) zurück zum Aufwickler (3') geführt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen auf bandförmigen Substraten in einer Prozesskammer in der sich schichtbildende Einrichtungen befinden, wobei das bandförmige Substrat von einem Abwickler abgezogen und über verschiedene Walzen schließlich auf einen Aufwickler geführt wird.
  • Die schichtbildenden Einrichtungen in Vakuumkammern, wie beispielsweise Verdampfer, Sputterkathoden o. dgl., zu denen prozessbedingt auch Ätzvorrichtungen oder andere Oberflächenbehandlungsvorrichtungen gehören können, sind in einem vorgegebenen Abstand zum bandförmigen Substrat angeordnet. Nachfolgend wird der Begriff „schichtbildende Einrichtung” stellvertretend für die genannten Vorrichtungen verwendet.
  • Das bandförmige Substrat wird während des Beschichtungs- oder Bearbeitungsvorganges über eine Walze, entlang eines Führungselementes, oder im sogenannten „free-span”, also frei gespannt, an der schichtbildenden Einrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit vorbeigezogen.
  • Als zu beschichtende bandförmige Substrate kommen Metall- oder Kunststoffbänder, oder auch Gewebe aus diesen Materialien in Betracht, wobei auch zu gewährleisten ist, dass die jeweilige Beschichtung sowohl längs des Bandes als auch in Querrichtung mit ausreichender Homogenität erfolgt.
  • Je nach den technischen Anforderungen, wie Schichtdicke, Schichtaufbau bei Mehrfachschichtsystemen usw., variieren die schichtbildenden Einrichtungen sowohl in der Art, als auch in deren Anzahl innerhalb der Vakuumanlage.
  • In bisher bekannt gewordenen Prozesskammern, insbesondere in Vakuumkammern, kommen für die Herstellung von speziellen Mehrfachschichtsystemen nur zwei Möglichkeiten in Betracht, um eine solche Beschichtung effektiv zu bewerkstelligen. Die erste Möglichkeit besteht darin, die Anzahl der schichtbildenden Einrichtungen in der Vakuumanlage entsprechend der Anzahl der herzustellenden Schichten drastisch zu erhöhen, um beim einmaligen Durchlauf des bandförmigen Substrates die gewünschte Schichtfolge und/oder Schichtdicke herzustellen. Das ist allerdings mit einem großen technischen Aufwand verbunden.
  • Die zweite Möglichkeit besteht darin, das bandförmige Substrat mehrfach zwischen Abwickler und Aufwickler hin und her zu wickeln, bis die geforderte Schichtfolge hergestellt ist. Nachteilig hierbei ist, dass das mehrfache Umwickeln des bandförmigen Substrates in der Regel immer zu Problemen bezüglich der Wickel- und Bandführungsqualität, als auch bezüglich der Kontamination mit unerwünschten Partikeln führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen und/oder Schichten mit großer Dicke auf bandförmigen Substraten zu schaffen, die effektiv arbeitet und die Herstellung solcher Mehrfachschichtsysteme mit guter Qualität ermöglicht.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in der Prozesskammer mit den schichtbildenden Einrichtungen mindestens eine hohle Prozesswalze angeordnet ist, in der sich eine schlitzförmige Öffnung befindet, dass in der Prozesswalze ein Abwickler und ein Aufwickler für das bandförmige Substrat nebeneinander drehbar angeordnet sind und dass das bandförmige Substrat von Abwickler durch die Öffnung über die Außenmantelfläche der Prozesswalze durch die Öffnung zurück zum Aufwickler geführt ist.
  • Zumindest der Aufwickler ist mit einem Drehantrieb versehen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Prozesswalze in der Prozesskammer drehbar angeordnet und ebenfalls mit einem Drehantrieb verbunden. Damit kann das bandförmige Substrat auf einfache Weise an den schichtbildenden Einrichtungen so lange vorbeigeführt werden, bis die gewünschte Schichtstruktur erreicht ist.
  • Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Prozesswalze mit einer Einrichtung zur Temperierung des diese umgebenden bandförmigen Substrates ausgestattet ist, die eine Heiz-/Kühleinrichtung sein kann. Damit kann einerseits gewährleistet werden, dass das bandförmige Substrat immer auf dem richtigen Temperaturniveau gehalten werden kann und andererseits sicher gestellt werden, dass das Substrat nicht überhitzt wird.
  • Die schichtbildenden Einrichtungen sind in vorgegebenen Abständen zur Außenmantelfläche der Prozesswalze um diese herum angeordnet.
  • Um bei unterschiedlichen schichtbildenden Einrichtungen einen unabhängigen Betrieb zu gewährleisten, ist die die Prozesswalze umgebende Vakuumkammer durch Trennwände in fest stehende Prozesssektoren eingeteilt, wobei in einigen derselben schichtbildende Einrichtungen angeordnet sind,
  • Um ein Verschleppen von Beschichtungsmaterial oder von Gasen von einer Prozesssektion in andere Prozesssektionen zu verhindern, sind die Prozesssektoren vakuummäßig gegeneinander isoliert,
  • Zu diesem Zweck sind die Trennwände von der Innenwand der Prozesskammer radial nach innen bis nahe auf die Prozesswalze geführt, ohne diese zu berühren und so, dass das bandförmige Substrat hindurchpasst.
  • Zusätzlich können zwischen den Trennwänden und der Prozesswalze übliche Vakuumdichtungen ausgebildet sein.
  • Um das bandförmige Substrat möglichst leicht um die Prozesswalze ziehen zu können, ist diese entweder mit einer entsprechenden Beschichtung versehen und/oder es ist zwischen der Prozesswalze und dem bandförmigen Substrat ein Endlosband angeordnet, das gegenüber der Außenmantelfläche der Prozesswalze einen möglichst geringen Reibungswiderstand aufweisen sollte. Auf diese Weise kann die Generierung von Partikeln während des Verschiebens des Endlosbandes deutlich verringert werden.
  • Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen auf bandförmigen Substraten.
  • Die Vorrichtung besteht aus einer Prozesskammer 1, die beispielsweise eine Vakuumkammer sein kann, in der eine drehbare zylindrische hohle Prozesswalze 2 angeordnet ist, die durch einen nicht dargestellten Antrieb mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit antreibbar ist. In der Mantelfläche der Prozesswalze 2 ist eine quer verlaufende schlitzförmige Öffnung 6 eingebracht, die so breit ist, dass in dieser zwei Umlenkwalzen 7, 7' möglichst dicht nebeneinander angeordnet werden können. Die Prozesskammer 1 kann je nach den Anforderungen eine beliebige Gestalt aufweisen, also eckig oder zylindrisch sein.
  • In der Prozesswalze 2 sind ein Abwickler 3 und ein Aufwickler 3' nebeneinander für ein bandförmiges Substrat 4 angeordnet. Zum Herstellen einer Beschichtung auf dem bandförmigen Substrat 4 wird dieses vom Abwickler 3 über die Umlenkwalze 7 auf die Außenmantelfläche der Prozesswalze 2 und um diese herum zur Umlenkwalze 7' geführt, welche das bandförmige Substrat 4 wieder in die Prozesswalze 2, diesmal auf den Aufwickler 3', führt.
  • Die Prozesswalze 2 kann auch zur Temperierung des bandförmigen Substrates eingesetzt werden, indem in deren Mantel eine Heiz-/Kühleinrichtung angeordnet wird. Dadurch kann eine gleichmäßige Beschichtungstemperatur während des gesamten Beschichtungs- oder Bearbeitungsprozesses gewährleistet werden und somit gleichzeitig sichergestellt werden, dass das maximal zulässige Wärmebudget, dem das bandförmige Substrat 4 ausgesetzt werden kann, nicht überschritten wird, bzw. dass Wärmespitzen sicher vermieden werden können.
  • Die die Prozesswalze 2 umgebende Prozessvakuumkammer 1 ist durch vier Trennwände 9, 9', 9'', 9''' in vier fest stehende Prozesssektionen 8, 8', 8'', 8''' eingeteilt, wobei in einigen derselben schichtbildende Einrichtungen 5, 5', 5'' angeordnet sind, die somit die Prozesswalze 2 in einem vorgegebenen Abstand zu dieser und in einem vorgegebenen Winkelabstand zueinander umgeben. Die Prozesssektionen 8, 8', 8'', 8''' sind vakuumdicht gegeneinander isoliert, um ein Verschleppen von Beschichtungsmaterial oder Gasen von einer Prozesssektion in andere Prozesssektionen zu verhindern. Somit können in benachbarten Prozesssektionen völlig unterschiedliche Prozesse unabhängig voneinander durchgeführt werden.
  • Wie eingangs erwähnt, kommen als schichtbildende Einrichtungen Verdampfungs- oder Sputtereinrichtungen, CVD-Einrichtungen o. dgl., sowie Ätzeinrichtungen und andere Oberflächenbehandlungseinrichtungen in Betracht. Es versteht sich, dass nicht sämtliche vorhandene Einrichtungen in der Prozesskammer gleichzeitig aktiv sein können, sondern nur jeweils diejenigen, die für den jeweils vorgesehenen Prozess erforderlich sind.
  • Um eine gegenseitige Störung der ablaufenden Prozesse sicher zu vermeiden, sind die Trennwände 9, 9', 9'', 9''' von der Innenwand der Prozesskammer 1 radial nach innen bis nahe auf die Prozesswalze 2 geführt, ohne diese zu berühren. Die Vakuumdichtung an diesen Stellen kann zusätzlich mit üblichen nicht dargestellten Vakuumschleusen erfolgen. Es versteht sich, dass je nach den Anforderungen auch mehr oder weniger Sektionen in der Prozesskammer 1 ausgebildet werden können.
  • Der Beschichtungsvorgang kann nun auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden. Das bandförmige Substrat 4 kann sich während des Beschichtungsvorganges um die Prozesswalze 2 bewegen, während die Prozesswalze 2 stillsteht. Alternativ kann sich zusätzlich auch die Prozesswalze 2 drehen, während sich das bandförmige Substrat 4 um diese bewegt.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht in der Realisierung eines zyklischen Beschichtungsvorganges. In diesem Fall ruht das bandförmige Substrat 4 auf der Prozesswalze 2 während diese sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit dreht, bis die gewünschte Schichtqualität erreicht ist. Anschließend wird die Prozesswalze 2 gestoppt und das bandförmige Substrat 4 auf dieser um eine vorgegebene Länge weiter transportiert, bis die Prozesswalze 2 wieder mit unbeschichtetem oder unbehandeltem Substrat 4 belegt ist. Dann kann der vorstehende Beschichtungsprozess wiederholt bis das gesamte auf dem Abwickler bereitgestellte bandförmige Substrat lückenlos beschichtet ist.
  • Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass Mehrfachschichtsysteme und Schichten großer Dicke, z. B. um 10 μm, besonders effektiv in einer einzigen Prozesskammer 1 hergestellt werden können.
  • Das bandförmige Substrat 4 muss dann nach Abschluss des Beschichtungsprozesses lediglich vollständig auf den Aufwickler 3' gewickelt werden, worauf hin dieser dann nach dem Öffnen der Prozesskammer 1 an einer Stirnseite aus der Prozesswalze 2 entnommen werden kann. Anschließend wäre ein neuer bestückter Abwickler 3 in die Prozesswalze 2 einzusetzen und das bandförmige Substrat wie vorstehend beschrieben einzufädeln.
  • Alternativ kann natürlich die komplette Prozesswalze 2 entnommen werden und der Austausch des beschichteten bandförmigen Substrates gegen unbeschichtetes bandförmiges Substrat außerhalb der Prozesskammer 1 erfolgen, z. B. wenn das bandförmige Substrat eine unhandliche Breite aufweist.
  • Wesentlich für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei, dass die Reibverhältnisse zwischen dem bandförmigen Substrat und der Außenmantelfläche der Prozesswalze ein Ziehen des bandförmigen Substrates über die nahezu komplette Außenmantelfläche erlauben. Dazu besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Außenmantelfläche mit einer geeigneten, die Reibung vermindernden Beschichtung zu versehen.
  • Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung der Reibung zwischen der Prozesswalze 2 und dem bandförmigen Substrat 4 besteht darin, dazwischen ein Endlosband anzuordnen, das auf der Prozesswalze 2 besonders gut gleitet. Das Endlosband muss dazu um die Außenmantelfläche der Prozesswalze 2 um die Umlenkwalzen 7, 7' herum durch die schlitzförmige Öffnung 6 hindurch und entlang der Innenmantelfläche der Prozesswalze 2 geführt werden. Das kann durch mehrere am Innenumfang der Prozesswalze 2 angeordnete nicht dargestellte Führungswalzen erfolgen. Dadurch wird die Führung des bandförmigen Substrates 4 vom Inneren der Prozesswalze auf deren Außenmantelfläche nicht behindert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Prozesskammer
    2
    Prozesswalze
    3
    Abwickler
    3'
    Aufwickler
    4
    bandförmiges Substrat
    5, 5', 5''
    schichtbildende Einrichtungen
    6
    schlitzförmige Öffnung
    7, 7'
    Umlenkwalze
    8, 8', 8'', 8'''
    Prozesssektion
    9, 9', 9'', 9'''
    Trennwand

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Herstellen von Mehrfachschichtsystemen auf bandförmigen Substraten in einer Prozesskammer, in der sich mindestens eine schichtbildende Einrichtung befindet, wobei das bandförmige Substrat von einem Abwickler abgezogen und über verschiedene Walzen schließlich auf einen Aufwickler geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Prozesskammer (1) mit den schichtbildenden Einrichtungen (5, 5', 5'') mindestens eine hohle Prozesswalze (2) angeordnet ist, in der sich eine schlitzförmige Öffnung (6) befindet, dass in der Prozesswalze (2) ein Abwickler (3) und ein Aufwickler (3') für das bandförmige Substrat (4) nebeneinander drehbar angeordnet sind und dass das bandförmige Substrat (4) von Abwickler (3) durch die Öffnung (6) über die Außenmantelfläche der Prozesswalze (2) durch die Öffnung (6) zurück zum Aufwickler (3') geführt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Aufwickler (3') mit einem Drehantrieb versehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswalze (2) in der Prozesskammer (1) drehbar angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswalze (2) mit einem Drehantrieb verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswalze (2) mit einer Einrichtung zur Temperierung des diese umgebenden bandförmigen Substrates (4) ausgestattet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Temperierung der Prozesswalze (2) eine Heiz-/Kühleinrichtung ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schichtbildenden Einrichtungen (5, 5', 5'') in vorgegebenen Abständen zur Außenmantelfläche der Prozesswalze (2) um diese herum angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Prozesswalze (2) umgebende Vakuumkammer (1) durch Trennwände (9, 9', 9'', 9''') in fest stehende Prozesssektoren (8, 8', 8'', 8''') eingeteilt, wobei in einigen derselben schichtbildende Einrichtungen (5, 5', 5'') angeordnet sind,
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesssektoren (8, 8', 8'', 8''') vakuumdicht gegeneinander isoliert sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (9, 9', 9'', 9''') von der Innenwand der Prozesskammer 1 radial nach innen bis nahe auf die Prozesswalze (2) geführt sind, ohne diese zu berühren.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trennwänden (9, 9', 9'', 9''') und der Prozesswalze (2) Vakuumdichtungen ausgebildet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswalze (2) entweder mit einer entsprechenden Beschichtung versehen ist und/oder dass zwischen der Prozesswalze und dem bandförmigen Substrat ein Endlosband angeordnet ist.
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