DE102011113294A1 - Vacuum coater - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung und ein Verfahren zur Vakuumbeschichtung eines Substrates angegeben, mit einem evakuierbarem Beschichtungsraum (12), in dem ein Substratträger (28) zur Aufnahme eines zu beschichtenden Substrates (30) vorgesehen ist, mit einer Elektrode (32) oberhalb des Substratträgers (28), mit einer Gegenelektrode (24) und mit einer Gaszuführung (22) mit mindestens einer Gasaustrittsöffnung (26) zur Zuführung von Prozessgasen in Richtung auf das Substrat (30). Ein Abstand (d) zwischen dem Substratträger (28) und der Elektrode (24) kann verändert werden. Weiterhin ist zwischen der Elektrode (24) und dem Substratträger (28) mindestens ein Strömungsleitelement vorgesehen, das als Rahmen ausgebildet sein kann, der sich von der Elektrode (24) aus in Richtung auf den Substratträger (28) erstreckt.The invention relates to a vacuum coating device and a method for vacuum coating a substrate, comprising an evacuable coating space (12) in which a substrate carrier (28) for receiving a substrate (30) to be coated is provided, with an electrode (32) above the substrate carrier (12). 28), with a counter electrode (24) and with a gas supply (22) having at least one gas outlet opening (26) for supplying process gases in the direction of the substrate (30). A distance (d) between the substrate carrier (28) and the electrode (24) can be changed. Furthermore, at least one flow-guiding element is provided between the electrode (24) and the substrate carrier (28), which may be formed as a frame which extends from the electrode (24) in the direction of the substrate carrier (28).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung mit einem evakuierbaren Beschichtungsraum, in dem ein Substratträger zur Aufnahme eines zu beschichtenden Substrats vorgesehen ist, mit einer Elektrode oberhalb des Substratträgers, mit einer Gegenelektrode, und mit einer Gaszuführung mit mindestens einer Gasaustrittsöffnung zur Zuführung von Prozessgasen in den Beschichtungsraum.The invention relates to a vacuum coating device with an evacuable coating space, in which a substrate carrier is provided for receiving a substrate to be coated, with an electrode above the substrate support, with a counter electrode, and with a gas supply with at least one gas outlet opening for supplying process gases into the coating chamber.
Derartige Vakuumbeschichtungsvorrichtungen sind grundsätzlich bekannt (vgl. z. B.
Problematisch bei derartigen Prozessen ist eine saubere Prozessführung, um eine möglichst gleichmäßige Beschichtung von konstanter Stärke ohne Verunreinigungen auf der Substratoberfläche aufzubringen. Das Beschichtungsergebnis wird hierbei von zahlreichen Prozessparametern, wie Gaszusammensetzung der Reaktionsgase, Temperatur des zu beschichtenden Substrates, Temperatur innerhalb der Beschichtungskammer, Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode, angelegte Spannung bzw. Frequenz, Strömungsverlauf der Prozessgase, sowie weiteren Parametern beeinflusst.The problem with such processes is a clean process management in order to apply the most uniform coating of constant thickness without impurities on the substrate surface. The coating result is influenced by numerous process parameters, such as gas composition of the reaction gases, temperature of the substrate to be coated, temperature within the coating chamber, distance between electrode and counter electrode, applied voltage or frequency, flow profile of the process gases, and other parameters.
Auch wenn die betreffenden Prozessparameter in der Regel automatisch gesteuert werden können, so gibt es doch vielfach wegdriftende Prozesse und ungleichmäßige Beschichtungen, die zur Ausschussware führen können.Even if the relevant process parameters can usually be controlled automatically, there are often drifting processes and uneven coatings that can lead to rejects.
Aus der
Hierbei handelt es sich allerdings nur um ein vakuumgestütztes Verfahren mit verschiedenen Prozessgasen, ohne dass der Beschichtungsprozess durch ein elektrisches Feld zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode unterstützt wird. Die betreffende Vakuumkammer ist für ein Durchlaufverfahren unter Verwendung einer Beschichtungsquelle etwa in Form einer linearen Magnetron-Sputterquelle, ausgelegt.However, this is only a vacuum-assisted process with different process gases, without the coating process being supported by an electric field between an electrode and a counterelectrode. The vacuum chamber in question is designed for a continuous process using a coating source such as in the form of a linear magnetron sputtering source.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung gemäß der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass der Beschichtungsprozess möglichst gleichmäßig und mit hoher Stabilität weitgehend frei von Verunreinigungen durchgeführt werden kann. Ferner soll ein verbessertes Vakuumbeschichtungsverfahren unter Verwendung einer Spannung zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode unter Zuführung eines Prozessgases angegeben werden, das eine möglichst gleichmäßige und stabile Prozessführung erlaubt.Against this background, the invention has the object to improve a vacuum coating device according to the aforementioned type such that the coating process can be performed as uniformly as possible and with high stability largely free of impurities. Furthermore, an improved vacuum coating method using a voltage between an electrode and a counter electrode under supply of a process gas is to be specified, which allows the most uniform and stable process control.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vakuumbeschichtungsvorrichtung gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Abstand zwischen dem Substratträger und der gegenüber liegenden Elektrode veränderbar ist.This object is achieved in a vacuum coating device according to the aforementioned type in that a distance between the substrate carrier and the opposite electrode is variable.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.The object of the invention is completely solved in this way.
Während bei herkömmlichen Vakuumbeschichtungsvorrichtungen der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode fest vorgegeben ist, kann bei der erfindungsgemäßen Vakuumbeschichtungsvorrichtung der Abstand zwischen dem Substratträger, auf dem das Substrat aufgenommen ist, und der Elektrode verändert werden. Durch die Veränderung des Abstands zwischen Substratträger bzw. Gegenelektrode und Elektrode kann der Beschichtungsprozess können sich im Zuge von zahlreichen Beschichtungszyklen veränderte Verhältnisse berücksichtigt werden und es können im Laufe der Zeit wegdriftende Beschichtungsprozesse durch die Anpassung des Abstands zwischen Elektrode und Gegenelektrode stabilisiert werden.While in conventional vacuum coating apparatus, the distance between the electrode and the counter electrode is fixed, the distance between the substrate carrier, on which the substrate is accommodated, and the electrode can be changed in the vacuum coating device according to the invention. By changing the distance between substrate carrier or counterelectrode and electrode, the coating process can be considered in the course of numerous coating cycles changed conditions and it can be stabilized over time drifting coating processes by adjusting the distance between the electrode and counter electrode.
Die erfindungsgemäße Vakuumbeschichtungsvorrichtung arbeitet vorzugsweise im Batchbetrieb. Es kann sich etwa um ein PECVD-Verfahren oder ein CVD-Verfahren handeln.The vacuum coating device according to the invention preferably operates in batch mode. It may be a PECVD process or a CVD process, for example.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Hubeinrichtung vorgesehen, mittels derer der Substratträger bewegbar ist.In a further development of the invention, a lifting device is provided, by means of which the substrate carrier is movable.
Obwohl es grundsätzlich auch möglich wäre, die Elektrode in der Höhe verstellbar zu machen, so wird bei einer Verstellung des Substratträgers mittels einer Hubeinrichtung eine vorteilhafte Ausführung insbesondere dann erreicht, wenn die Vakuumbeschichtungsvorrichtung mit zwei übereinander angeordneten Ebenen ausgestaltet ist, zwischen denen die Substratträger ohnehin durch eine Hubeinrichtung bewegt werden können, um so einen besseren Durchsatz bei einer Batch-Anlage erzielen zu können. Vorzugsweise wird hierbei die obere Ebene zur Beschichtung verwendet, während die untere Ebene als Puffer für fertig beschichtete Substrate dient und in Zusammenhang mit einer geeigneten Handlingeinrichtung einen erhöhten Durchsatz erlaubt.Although it would also be possible in principle to make the electrode height-adjustable, an advantageous embodiment is achieved when the substrate carrier is adjusted by means of a lifting device, in particular if the vacuum coating device is designed with two planes arranged one above the other, between which the substrate carriers pass through anyway a Lifting device can be moved so as to achieve better throughput in a batch plant can. Preferably, in this case, the upper level is used for coating, while the lower level serves as a buffer for finished coated substrates and in conjunction with a suitable handling device allows increased throughput.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Abstand zwischen Elektrode und Substratträger automatisch verstellbar, vorzugsweise in Abhängigkeit von mindestens einem Beschichtungsparameter mittels einer Steuerung einstellbar.In an advantageous development of the invention, the distance between electrode and substrate carrier is automatically adjustable, preferably adjustable as a function of at least one coating parameter by means of a controller.
Auf diese Weise kann eine verbesserte Prozessführung mit automatischer Steuerung des Abstands zwischen Gegenelektrode und Elektrode erreicht werden.In this way, an improved process control with automatic control of the distance between the counter electrode and the electrode can be achieved.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zur Vakuumbeschichtung eines Substrates unter Anlegung einer Spannung zwischen einer dem Substrat gegenüberliegenden Elektrode und einer Gegenelektrode unter Zuführung eines Prozessgases in den Beschichtungsraum gelöst, bei dem ein Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eingestellt wird, vorzugsweise automatisch in Abhängigkeit von mindestens einem Prozessparameter gesteuert wird.The object of the invention is further achieved by a method for vacuum coating a substrate under application of a voltage between a substrate opposite the substrate and a counter electrode while supplying a process gas into the coating chamber, in which a distance between the electrode and the counter electrode is adjusted, preferably automatically is controlled in dependence on at least one process parameter.
Wie bereits zuvor erwähnt, wird durch ein derartiges Verfahren eine gleichmäßigere Prozessführung mit besonders hoher Qualität ermöglicht.As already mentioned above, a more uniform process control with particularly high quality is made possible by such a method.
In vorteilhafter Weiterbildung dieses Verfahrens wird hierbei das Prozessgas über eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen an der Elektrode zugeführt und durch mindestens ein Strömungsleitelement in Richtung auf das Substrat gelenkt, wobei eine Absaugung vorzugsweise im Bodenbereich des Beschichtungsraums erfolgt.In an advantageous embodiment of this method, in this case the process gas is supplied via a plurality of gas outlet openings at the electrode and directed by at least one flow guide in the direction of the substrate, wherein an extraction preferably takes place in the bottom region of the coating chamber.
Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Zuführung der Prozessgase von oben in Richtung auf das Substrat ermöglicht, wodurch besonders gleichmäßige Beschichtungsergebnisse erzielt werden können.This allows a particularly uniform supply of the process gases from above in the direction of the substrate, whereby particularly uniform coating results can be achieved.
Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Vakuumbeschichtungsvorrichtung gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sich zwischen der Elektrode und dem Substratträger mindestens ein Strömungsleitelement erstreckt.According to an alternative embodiment of the invention, the object is achieved in a vacuum coating device according to the aforementioned type in that extends at least one flow guide between the electrode and the substrate support.
Auch auf diese Weise wird eine besonders homogene und gleichmäßige Beschichtung des Substrates unterstützt. Durch die Verwendung des Strömungsleitelements zwischen Elektrode und Substratträger können die von oben zugeführten Prozessgase besonders gleichmäßig in Richtung auf das Substrat gelenkt werden. Ein seitliches Entweichen der Prozessgase, bevor diese die Substratoberfläche überstrichen haben, wird auf diese Weise verhindert bzw. minimiert.In this way, a particularly homogeneous and uniform coating of the substrate is supported. By using the flow guide between the electrode and the substrate carrier, the process gases supplied from above can be directed particularly uniformly in the direction of the substrate. A lateral escape of the process gases before they have swept over the substrate surface is prevented or minimized in this way.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist das Strömungsleitelement als Rahmen ausgebildet, der sich von der Elektrode aus in Richtung auf den Substratträger erstreckt.In a preferred embodiment of the invention, the flow guide is formed as a frame which extends from the electrode in the direction of the substrate carrier.
Hierbei ist die mindestens eine Gasaustrittsöffnung vorzugsweise innerhalb eines vom Strömungsleitelement umschlossenen Raums angeordnet.Here, the at least one gas outlet opening is preferably arranged within a space enclosed by the flow guide.
Weiterhin bevorzugt ist in der Elektrode eine Mehrzahl von Gasaustrittsöffnungen vorgesehen.Further preferably, a plurality of gas outlet openings is provided in the electrode.
Durch diese Maßnahme wird eine besonders gleichmäßige flächige Zuführung von Prozessgasen von oben in Richtung auf das Substrat gewährleistet, was zu einer besonders hohen Beschichtungsqualität führt.By this measure, a particularly uniform surface supply of process gases is ensured from above in the direction of the substrate, resulting in a particularly high coating quality.
In weiter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitelement derart angeordnet und dimensioniert, dass zwischen dem Substratträger und dem Strömungsleitelement ein Spalt von höchstens 20 mm, bevorzugt von höchstens 10 mm, weiter bevorzugt von höchstens 6 mm verbleibt.In a further advantageous embodiment of the invention, the flow guide is arranged and dimensioned such that between the substrate carrier and the flow guide a gap of at most 20 mm, preferably of at most 10 mm, more preferably of at most 6 mm remains.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitelement derart angeordnet und dimensioniert, dass zwischen dem Substratträger und dem Strömungsleitelement ein Spalt von etwa 2 bis 20 mm, bevorzugt von etwa 2 bis 7 mm, besonders bevorzugt von etwa 2 bis 5 mm verbleibt.In a further preferred embodiment of the invention, the flow guide is arranged and dimensioned such that between the substrate carrier and the flow guide a gap of about 2 to 20 mm, preferably from about 2 to 7 mm, more preferably from about 2 to 5 mm remains.
Es hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Dimensionierung des Spaltes besonders gute Beschichtungsergebnisse erzielbar sind.It has been shown that with such a dimensioning of the gap particularly good coating results can be achieved.
Insbesondere in Verbindung mit einer automatischen Einstellung des Abstandes zwischen Substratträger und Elektrode lässt sich der verbleibende Spalt im angegebenen Bereich zwischen 2 und 20 mm derart einstellen, dass eine optimierte Prozessführung erzielt werden kann.In particular, in conjunction with an automatic adjustment of the distance between substrate carrier and electrode, the remaining gap in the specified range between 2 and 20 mm can be adjusted so that an optimized process control can be achieved.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Substratträger auf einer Platte, vorzugsweise auf einer Graphitplatte, aufgenommen, die als Gegenelektrode geschaltet ist.In a further preferred embodiment of the invention, the substrate carrier on a plate, preferably on a graphite plate, added, which is connected as a counter electrode.
Während bei herkömmlichen Vakuumbeschichtungsvorrichtungen normalerweise der Substratträger selbst als Gegenelektrode geschaltet ist, wird auf diese Weise durch die Verwendung der Platte eine Homogenisierung des elektrischen Feldes zwischen dem Substrat und der Elektrode erreicht. Nicht das Substrat selbst, sondern die Platte, die vorzugsweise als Graphitplatte ausgestaltet ist, wirkt als Gegenelektrode. Auf diese Weise ist das Substrat in ein homogeneres Feld zwischen der weiter nach unten versetzten Platte und der Elektrode eingeschlossen. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Platte als Graphitplatte ausgestaltet ist, da Graphit ein besonders guter Wärmeleiter ist, was zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung beiträgt.In conventional vacuum coating apparatuses, while normally the substrate carrier itself is connected as a counterelectrode, the use of the plate in this way homogenizes the electric field reached between the substrate and the electrode. Not the substrate itself, but the plate, which is preferably designed as a graphite plate, acts as a counter electrode. In this way, the substrate is enclosed in a more homogeneous field between the further downwardly displaced plate and the electrode. Particular advantages arise when the plate is designed as a graphite plate, since graphite is a particularly good conductor of heat, which contributes to a uniform temperature distribution.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Platte bzw. die Graphitplatte beheizt.In a further preferred embodiment of the invention, the plate or the graphite plate is heated.
Hierdurch lässt sich eine besonders gleichmäßige Beheizung, insbesondere bei Ausführung der Platte als Graphitplatte, erzielen. Während bei herkömmlichen Anlagen der Substratträger beheizt wird, kann die Platte, auf dem der Substratträger aufgenommen ist, durchgehend beheizt werden. Dadurch wird eine deutlich gleichmäßigere Temperatur gewährleistet. Trotz der kurzen Zykluszeiten für eine Beschichtung wird so durch die durchgehend beheizte Graphitplatte eine schnelle Homogenisierung der Temperatur am Substrat erreicht.This makes it possible to achieve a particularly uniform heating, in particular when the plate is designed as a graphite plate. While the substrate carrier is heated in conventional systems, the plate on which the substrate carrier is received, can be continuously heated. This ensures a much more uniform temperature. Despite the short cycle times for a coating, the continuously heated graphite plate achieves rapid homogenization of the temperature at the substrate.
Auf diese Weise wird eine besonders homogene und gleichmäßige Beschichtung unterstützt.In this way, a particularly homogeneous and uniform coating is supported.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.It is understood that the features of the invention mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. Show it:
In
Die Vakuumbeschichtungsvorrichtung
Auch in der unteren Ebene sind Transportrollen
Ein im Beschichtungsraum
Die aus Graphit bestehende Platte
Oberhalb des Substrates
Zwischen der Platte
Während eines Beschichtungsprozesses tritt das Prozessgas, wie durch die Pfeile
Zwischen dem unteren Ende des Strömungsleitelementes bzw. Rahmens
Die Beschichtungskammer
Durch das Strömungsleitelement bzw. den Rahmen
Die Graphitplatte
Durch die Aufteilung des Beschichtungsraums
Wenn ein Beschichtungsprozess im oberen Bereich
Es versteht sich, dass anstelle zweier getrennter Türen
Die Anlage arbeitet vorzugsweise getaktet im Batchbetrieb.The system preferably operates in clocked mode in batch mode.
In
Jede Beschichtungszelle P1, P2, P3 und die Wartungszelle M ist durch eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung
Im vorliegenden Fall wird in allen Beschichtungszellen P1, P2, P3 der gleiche Beschichtungsprozess durchgeführt. Durch das parallele Betreiben der Beschichtungszellen P1, P2, P3 wird ein erhöhter Durchsatz gewährleistet. Die Kapazität der Beschichtungszellen P1, P2, P3 ist nun so ausgelegt, dass drei Beschichtungszellen ausreichen, um den Nenndurchsatz zu gewährleisten. Die Wartungszelle M weist nun einen identischen Aufbau wie die Beschichtungszellen P1, P2, P3 auf und dient somit als Reservekapazität. Dies bedeutet, dass der Beschichtungsprozess mit Nenndurchsatz arbeitet, während gleichzeitig in einer Zelle, in der Wartungszelle M, Wartungsarbeiten, z. B. Reinigungsarbeiten und dergleichen durchgeführt werden können, ohne dass der Nenndurchsatz beeinträchtigt wird.In the present case, the same coating process is carried out in all the coating cells P1, P2, P3. The parallel operation of the coating cells P1, P2, P3 ensures an increased throughput. The capacity of the coating cells P1, P2, P3 is now designed so that three coating cells are sufficient to ensure the nominal throughput. The maintenance cell M now has an identical structure as the Coating cells P1, P2, P3 and thus serves as a reserve capacity. This means that the coating process operates at nominal throughput while maintaining in one cell, in the maintenance cell M, maintenance work, e.g. As cleaning work and the like can be performed without the nominal throughput is impaired.
Es steht somit die gleiche Anzahl von Beschichtungsmodulen wie zuvor zur Verfügung, während gleichzeitig ein anderes der Module nunmehr zur Wartung genutzt wird, wie bei M angedeutet.There is thus the same number of coating modules as before available, while at the same time another of the modules is used for maintenance, as indicated at M.
Es kann also somit immer der Nenndurchsatz der gesamten Vakuumbeschichtungsanlage erreicht werden, während immer eine der Zellen zu Wartungszwecken offline ist. Insgesamt lässt sich mit einer derartigen Auslegung eine Einsatzbereitschaft (Uptime) von etwa 97% gewährleisten.Thus, it is thus always possible to achieve the nominal throughput of the entire vacuum coating system, while always one of the cells is offline for maintenance purposes. Overall, with such a design, an operational readiness (uptime) of about 97% can be guaranteed.
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