DE102016114395A1

DE102016114395A1 - Gasseparationseinheit und Vakuumanlage mit einer solchen Einheit, Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102016114395A1
Application number: DE102016114395.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Norbert Panckow; Armin Hübner; Maik Reuße; Lucie Behnke; Friedrich W. Nickol; Jan Johannsen
Original assignee: SOLAYER GmbH
Current assignee: SOLAYER GmbH
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-04
Also published as: DE102016114395B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasseparationseinheit zur Separation von voneinander abweichenden Prozessatmosphären, die in nicht gasdicht voneinander getrennten Abschnitten einer Vakuumanlage herrschen. Sie umfasst auch eine Vakuumanlage mit einer solchen Einheit zur Behandlung von Substraten 3 und Verfahren zum Betrieb der Gasseparationseinheit und der Vakuumanlage. Die Gasseparationseinheit umfasst zumindest einen Strömungswiderstand 8‘, 8“, welcher in Form eines vierseitig umschlossenen Kanals von einem Eingang der Gasseparationseinheit zu deren Ausgang durch die Gasseparationseinheit verläuft, und zumindest einen Sperrgaseinlass 10, 10‘, 10“ sowie zumindest einen Sperrgaspumpauslass 11. Sperrgaseinlass 10, 10‘, 10“ und Sperrgaspumpauslass 11 münden im Strömungswiderstand 8‘, 8“. Im Betrieb der Gasseparationseinheit wird mittels des Sperrgaseinlasses 10, 10‘, 10“ und des Sperrgaspumpauslasses 11 eine Strömung 15 eines Sperrgases vom Sperrgaseinlass 10, 10‘, 10“ zum Sperrgaspumpauslass 11 erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Gasseparationseinheit zur Separation von voneinander abweichenden Prozessatmosphären, die in nicht gasdicht voneinander getrennten Prozessabschnitten herrschen. Sie betrifft auch eine Vakuumanlage zur Behandlung von Substraten mit einer solchen Gasseparationseinheit sowie Verfahren zum Betrieb solcher Vorrichtungen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Gasseparationseinheit, die der Vermeidung des Überströmens von Gas zwischen dem Prozessabschnitt in einen anderen, ebenfalls an die Gasseparationseinheit angrenzenden Abschnitt der Vakuumanlage dient. Die Gasseparationseinheit ist in einer Vakuumanlage an einen Prozessabschnitt angrenzend integriert oder integrierbar.
Zwischen benachbarten Abschnitten einer Vakuumanlage, deren Gaszusammensetzung derart voneinander abweichen, dass eine gegenseitige Beeinflussung der Bedingungen in diesen Abschnitten vermieden werden muss, beispielsweise zwischen zwei Behandlungsabschnitten einer Vakuumbehandlungsanlage, die aus technologischen Gründen mit unterschiedlichen Prozessatmosphären betrieben werden, ist deren Entkopplung bezüglich der Gaspartialdrücke, eine „Gasseparation“, erforderlich. Der so genannte Gasseparationsfaktor G_ij gibt das Verhältnis der Druckänderungen in einem von in Transportrichtung zwei aufeinander folgenden Abschnitten an, die aufgrund einer Druckänderung im anderen Abschnitt zu verzeichnen ist. Er ist definiert als: G_ij = ∆p_j/∆pi wobei ∆p_i die Druckänderung im Abschnitt i und ∆p_j die Druckänderung im Abschnitt j sind. Der Gasseparationsfaktor definiert den Entkopplungsgrad der zu trennenden Abschnitte und ist bevorzugt umso größer, je stärker sich die Gaszusammensetzung in beiden Behandlungsabschnitten voneinander unterscheiden soll.
Je empfindlicher die Behandlungsprozesse und die Eigenschaften der behandelten Substrate auf eine geringe Entkopplung reagieren. Insbesondere wird die Gaszusammensetzung bei reaktiven Prozessen durch das sogenannte Reaktivgas bestimmt. Ein bestimmter Partialdruck eines Reaktivgases kann für den Behandlungsprozess in einem Prozessabschnitt notwendig sein und in einem benachbarten Prozessabschnitt schädlich wirken. Deshalb muss durch einen Gasseparationsabschnitt zwischen beiden benachbarten Prozessabschnitten ein Überströmen der Prozessgase einschließlich der Reaktivgase wesentlich reduziert werden.
Die Gasseparation wird regelmäßig durch ein oder mehrere gesonderte Abschnitte realisiert. Diese sind häufig mit Pumpeinrichtungen bestückt oder weisen einen Strömungswiderstand auf, wie in der DE 10 2010 022 277 A1 beschrieben.
Als Strömungswiderstände werden allgemein vakuumtechnische Bauelementen bezeichnet, die als schmaler Spalt oder Kanal mit möglichst geringer Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung und großer Ausdehnung in Strömungsrichtung ausgebildet sind und einer Strömung einen hohen Widerstand entgegensetzen. Ist der Strömungswiderstand, wie in der Druckschrift beschrieben, entlang des Transportweges eines Substrats angeordnet, ist der Abstand zwischen den parallelen Flächen, die den Spalt oder Kanal beidseits der Substratflächen bilden, möglichst gering, so dass ein Substrat gerade noch ungehindert durch den solchen Kanal oder Spalt hindurch bewegt werden kann. Die Flächen, die den Strömungswiderstand bilden, können sowohl die Kammerwandungen selbst als auch ein oder mehrstückige Kammereinbauten sein.
Aufgrund der Druckverhältnisse in den benachbarten Abschnitten und einer geringen Querschnittsfläche und großen Länge der Spalten und Kanäle wird ein Gasaustausch zwischen den beiderseits angrenzenden Abschnitten vermindert. Die Gasseparation durch Strömungswiderstände kann passiv, d.h. allein durch die Verminderung eines Gasaustausches durch den Kanal, oder aktiv erfolgen. In letzterem Fall werden bestimmte Zonen der Kanäle von Strömungswiderständen abgepumpt ( DE 10 2010 028 734 A1 ) oder es wird, wie in der DE 10 2010 022 277 A1 , in bestimmten Bereichen des Strömungswiderstands Spülgas eingelassen, welches aus dem Strömungswiderstand in die angrenzenden Abschnitte strömt und damit ein Überströmen von Gas zwischen den beiden Abschnitten aktiv vermindert. Letzteres erfordert eine genaue Abstimmung des Spülgases mit dem Prozessgas, reduziert die Varianz der verwendbaren Spülgase und beeinflusst die Gas- bzw. Plasmaverteilung im Prozessabschnitt, was sich regelmäßig auf den Behandlungserfolg auswirkt.
So ändern sich in der DE 10 2010 022 277 A1 durch das in den Prozessabschnitt ausströmende Sperrgas der Totaldruck der Prozessatmosphäre und damit ein relevanter Behandlungsparameter und zwangsläufig auch das Ergebnis der Substratbehandlung in unerwünschter Weise. Eine Verringerung des Sperrgasflusses zur Reduzierung des Effekts würde jedoch zu einem steigenden Anteil des überströmenden Reaktivgases aus dem benachbarten Behandlungsabschnitt und damit ebenfalls einem unerwünschten Ergebnis der Substratbehandlung führen. Im Ergebnis können benachbarte, unterschiedliche Behandlungsabschnitte nicht unabhängig voneinander parametriert werden.
Effizient wirkende Gasseparationen werden einerseits durch die Geometrie der Strömungswiderstände und andererseits durch die Saugleistung der direkten oder indirekten Vakuumanschlüsse der Gasseparationseinrichtung bzw. zu entkoppelnden Abschnitte bestimmt. Die technischen Maßnahmen, die typischer Weise bei Gasseparationsfaktoren von 10 und mehr notwendig werden, erhöhen insbesondere bei der Entkopplung zwischen verschiedenen reaktiven Beschichtungsprozessen sowie bei komplexen Schichtsystemen die Baulänge von Vakuumanlagen sowie den anlagentechnischen Aufwand, auch durch einen erhöhten Pumpeneinsatz.
Eine Vakuumanlage zur Behandlung von Substraten, in der eine Gasseparationseinrichtung zum Einsatz kommen kann, ist in zumindest zwei Abschnitte unterteilt und umfasst gattungsgemäß zumindest eine Vakuumkammer mit einem Prozessabschnitt, in welchem die Substrate der Einwirkung mindestens einer Substratbehandlungseinrichtung ausgesetzt werden. Die zumindest zwei Abschnitte der Vakuumanlage können in einer Vakuumkammer oder in getrennten und aneinander angrenzenden Vakuumkammern ausgebildet sein.
Eine Vakuumanlage zur Behandlung von Substraten kann beispielsweise als Durchlaufanlage, auch als Inline-Anlage bezeichnet, ausgebildet sein, wenn die Anlage in mehrere aufeinanderfolgende Abschnitte untergliedert ist und das zu behandelnde Substrat, mit oder ohne Substrathalter, entlang eines Transportweges in die Anlage, durch diese hindurch und aus der Anlage bewegt wird, so dass es dabei nacheinander alle Abschnitte durchläuft und auch diejenigen, die in irgendeiner Weise zur Behandlung beitragen. Zu diesem Zweck ist eine Transporteinrichtung im Innern der Vakuumanlage so angeordnet, dass sie sich durch die Abschnitte der Vakuumanlage erstreckt. Es ist bekannt, die Substrate in verschiedenen Ausrichtungen, d. h. in horizontaler oder in vertikaler oder in einer geneigter Lage zu transportieren und zu behandeln. Die Behandlung selbst kann von einer oder der anderen Seite oder beidseitig auf die Substratoberfläche einwirken.
Die Substratbehandlung findet unter einem gegenüber dem Umgebungsdruck geringeren Druck und häufig in einem speziellen, oftmals gesteuert eingelassenen Gas oder Gasgemisch statt, hier als „Prozessatmosphäre“ bezeichnet.
Als „Kammer“ wird üblicherweise ein durch Kammerwände umschlossener Raum bezeichnet, der zum umgebenden Raum vollumfänglich abgegrenzt und vakuumtechnisch abschließbar ist. Eine Behandlungsanlage kann in Abhängigkeit vom Umfang der Behandlungen und von der Substratgröße eine oder eine Abfolge mehrerer Vakuumkammern aufweisen. Eine Vakuumkammer kann einen einzigen Prozessabschnitt, in einer solchen Anlage ist das ein Behandlungsabschnitt, oder mehrere davon umfassen und darüber hinaus weitere funktionell unterscheidbare Abschnitte aufweisen. Zur Untergliederung einer Kammer werden innerhalb der Kammer Einbauten vorgenommen zur Begrenzung des jeweiligen Abschnitts von benachbarten Abschnitten und zur Ausstattung des Abschnittes entsprechend seiner Funktion. Der Umfang der Begrenzung hängt insbesondere von den jeweiligen Funktionen der Abschnitte ab und kann auch Druckausgleichströmungen begrenzend bis druckdicht ausgeführt sein. Die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Vakuums erfolgt entweder direkt mittels Vakuumpumpanschluss an dem zu evakuierenden Abschnitt oder indirekt über einen der benachbarten Abschnitte, welcher über einen Vakuumanschluss verfügt und im Gasaustausch mit dem zu evakuierenden Abschnitt steht. Dem Fachmann stehen in Abhängigkeit von der verwendeten Vakuumanlage verschiedene Konzepte zur Verfügung.
Als funktionell vom Prozessabschnitt zu unterscheidende Abschnitte einer Vakuumanlage sind solche Abschnitte bekannt, die nicht direkt der Behandlung dienen, aber für das in der Anlage ablaufende gesamte Verfahren erforderlich sind, wie beispielsweise Abschnitte zur Evakuierung eines oder mehrerer Abschnitte, Abschnitte zur Gasseparation oder Abschnitte zur Änderung des Substrattransportmodus oder der Substrattransportrichtung sowie eingangs- und ausgangsseitig der Anlage angeordnete Vakuumschleusen. In einem Abschnitt können auch mehrere der Funktionen realisierbar sein.
Derartige Vakuumanlagen dienen der unterschiedlichen additiven, subtraktiven oder modifizierenden Behandlung der Oberfläche des Substrats, was auch eine Behandlung des Substrats an sich, beispielsweise einer Wärmebehandlung, Vorbehandlungen wie Reinigungs- oder Aktivierungsbehandlungen und andere, innerhalb der Anlage einschließen kann. Zu den additiven Behandlungen zählen die verschiedensten Beschichtungen, wie PVD, CVD, PECVD und andere. Zu den subtraktiven Behandlungen zählt die vollständige oder teilweise Entfernung von Oberflächenschichten, ob parasitär oder zuvor aufgebracht, insbesondere mit physikalischen oder chemischen, auch plasmaunterstützten Behandlungen und ebenso mechanische Behandlungen. Als Modifizierung sind Änderungen in der Struktur oder Zusammensetzung einer Oberflächenschicht bekannt, beispielsweise mittels Wärme- oder Plasmaeinwirkung oder chemische Behandlungen. Die Behandlungen können an unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher Geometrie erfolgen: metallischen, dielektrischen, Halbleiter- oder Kunststoffsubstraten, an starren, flexiblen, klein- oder großteiligen oder Endlossubstraten. Die definierte Zusammensetzung der Prozessatmosphäre und deren Konstanz oder gezielte Änderung im Laufe der Behandlung hat einen wesentlichen Einfluss auf das jeweilige Behandlungsergebnis, so dass sich die Art und die Qualität der Trennung der Prozessatmosphäre eines Prozessabschnitts von der Atmosphäre in einem nacfolgenden Abschnitt direkt auswirken kann.
Zunehmend ist es erforderlich, eine Vielzahl von Behandlungen miteinander zu kombinieren, so dass Aufwand und Platzbedarf für die Gasseparation zunehmen und Vakuumanlagen für komplexe Behandlungsverfahren, beispielsweise zur Abscheidung komplexer Schichtsysteme, sehr groß werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine aktive Gasseparation geringer Baulänge bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik den anlagentechnischen Aufwand reduziert und geringere Auswirkung auf die Gaszusammensetzung und die Druckverhältnisse im angrenzenden Abschnitt aufweist.
Des Weiteren ist es wünschenswert, den Gasseparationsfaktor einer bestimmten Anlage in einem größeren Umfang zu variieren, als aus dem Stand der Technik bekannt.
Vorrichtung und Verfahren zur Gasseparation soll für Vakuumanlagen verwendbar sein, in welchen auch komplexe Behandlungsverfahren von Substraten erfolgen können.
Die Gasseparation soll zudem für die bekannten Beschichtungsanlagen, insbesondere für Inline-Beschichtungsanlagen verwendbar sein und zwar unabhängig von Behandlung und Transportmodus des Substrats, wie Behandlung von Endlos- oder stückigen Substraten, ein- oder beidseitige Substratbehandlung, Transport mit oder ohne Substratträger, horizontale, vertikale oder geneigte Substratausrichtung.
Sie soll auch in bestehenden Anlagen nachrüstbar sein.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Gasseparationseinheit vorgeschlagen, die zur aktiven Gasseparation sowohl zumindest einen Gaseinlass für ein Sperrgas als auch zumindest einen Pumpauslass für Sperrgas verwendet. Der Sperrgaseinlass ist mit einer Sperrgasquelle verbunden, von der das jeweils verwendete Sperrgas in der gewünschten Zusammensetzung oder dessen einzelne Bestandteile zugeführt werden. Der Sperrgaspumpauslass ist mit einer Pumpanordnung verbunden, welche die benötigten Fördermengen und Konfigurationen für die nachfolgend beschriebenen Anforderungen ermöglicht. Sperrgaseinlass und Sperrgaspumpauslass werden derart konfiguriert und betrieben, dass in der Gasseparationseinheit eine Druckdifferenz zwischen Sperrgaseinlass und Sperrgaspumpauslass und resultierend eine Strömung des Sperrgases erzeugbar ist. Wie nachfolgend beschrieben kann auch Prozessgas zumindest Bestandteil des Sperrgases sein.
Es wird zudem eine Vakuumanlage zur Substratbehandlung vorgeschlagen, die eine solche, nachfolgend weiter beschriebene Gasseparationseinheit aufweist, sowie Verfahren zum Betrieb der Gasseparationseinheit und der Vakuumanlage.
Aufgrund der Anordnung sowohl des Sperrgaseinlasses als auch des Sperrgaspumpauslasses im Strömungswiderstand der Gasseparationseinheit entsteht eine Sperrgasströmung im Strömungswiderstand ohne Überströmen von Sperrgas in den Prozessabschnitt, wodurch die Beeinflussung eines angrenzenden Prozessabschnitts vermieden oder zumindest auf ein nicht relevantes Maß vermindert werden kann. Der Strömungswiderstand als solcher wirkt in der gewohnten Weise als Widerstand gegenüber einer Molekularströmung aus dem Prozessabschnitt.
Durch den Einlass des Sperrgases in den Strömungswiderstand ist bereits mit einer geringeren Menge Sperrgas eine lokale Druckerhöhung am Sperrgaseinlass und resultierend eine gerichtete Strömung zum Sperrgaspumpauslass erzeugbar. Diese Druckdifferenz bzw. Sperrgasströmung reduziert die Bewegung der Gasteilchen durch die Gasseparationseinheit von deren einem zum anderen Ende. Gasteilchen einer Prozessatmosphäre, die in die Gasseparationseinheit gelangen, werden zusammen mit dem Sperrgas durch den Sperrgaspumpauslass abgesaugt.
Als „angrenzend“ an eine Gasseparationseinheit sollen ein Abschnitt dann angesehen werden, wenn ein unmittelbarer Übergang von der Gasseparationseinheit in den Abschnitt möglich ist. Darunter soll darüber hinaus ein weiterer, zwischen beiden Volumina liegender Abschnitt zu verstehen sein, sofern vom besagten Abschnitt zu diesem zwischenliegenden Abschnitt eine Gastrennung nicht gewünscht oder erforderlich ist. Das kann z.B. bei einem Puffer- oder Transferabschnitt der Fall sein, in welchem der Transport der Substrate in irgendeiner Weise modifiziert wird, ein Evakuierungsabschnitt, Heizabschnitt oder andere.
Zur Erzeugung der Sperrgasströmung und der Druckdifferenz zwischen der effektiven Position des Sperrgaseinlasses und dem Eingang und/oder Ausgang der Gasseparationseinheit, d. h. dem Durchgang zum angrenzenden Abschnitt, werden, in Abhängigkeit vom zu evakuierenden und den zu trennenden Volumina, von der dafür zur Verfügung stehenden Pumpleistung und vom Design der betreffenden Abschnitte, in den Gasseparationseinheit Sperrgasflüsse in der Größenordnung von Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) bis in den Bereich von Standardlitern pro Minute (slm) eingelassen. Diesen Flussgrößen liegen die für großflächige Substrate derzeit gängigen Anlagengrößen zugrunde, so dass sich durchaus auch geringere und höhere Werte als vorteilhaft erweisen können. Zur Ermittlung der optimalen Sperrgasmenge können Simulationen oder praktische Versuche herangezogen werden.
Aufgrund der Tatsache, dass das Sperrgas hauptsächlich in der Gasseparationseinheit verbleibt, werden die Prozessatmosphären durch Sperrgas nur gering beeinflusst und kann die Auswahl eines Gases als Sperrgas vielfältiger sein als in den bekannten Vorrichtungen. Bevorzugt kommen ein Inertgas oder eine Mischung verschiedener Inertgase in Betracht oder Gase, die im angrenzenden Abschnitt verwendet werden. Durch Einstellung der Sperrgaskomposition mit gleicher oder nahezu gleicher Zusammensetzung wie die der Prozessgase im Prozessabschnitt kann der Sperrgaseinfluss auf die Prozessatmosphäre weiter verringert werden. Es sind jedoch auch nicht am Prozess, beispielsweise an der Substratbehandlung, beteiligte Gase möglich oder Gemische aus den verschiedenen genannten Gasen.
Anzahl und Design der Sperrgaseinlässe und Sperrgaspumpauslässe als aktive Komponenten und der Strömungswiderstände als passive Komponenten der Gasseparationseinheit hängen von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der Ausdehnung der Gasseparationseinheit und des Strömungswiderstandes, die beispielsweise von Art und Größe eines durch die Gasseparationseinheit zu transportierenden Substrats abhängen, und/oder vom zu erzielenden Gasseparationsfaktor. So werden beispielsweise bei großflächigen Substraten, wie Architekturglas oder Photovoltaikpanels oder anderen, oder bandförmigen Substraten mehrere Ein- und Auslässe in Reihe angeordnet oder als linienförmigen Ein- bzw. Auslass, bevorzugt parallel zum Durchgang aus dem Prozessabschnitt in die Gasseparationseinheit. Diese Richtung wird zur Unterscheidung nachfolgend als Y-Richtung bezeichnet. Auch in senkrecht dazu liegender Richtung, nachfolgend als X-Richtung bezeichnet, die beispielsweise die Substrattransportrichtung aus dem Prozessabschnitt in die Gasseparationseinheit ist, können mehrere Sperrgaseinlässe und/oder Sperrgaspumpauslässe hintereinander angeordnet werden.
Bei der Verwendung mehrerer Sperrgaseinlässe in X- oder in Y-Richtung besteht die Möglichkeit, Druck und Zusammensetzung des Sperrgases lokal zu differenzieren, indem die einzelnen Einlässe verschiedene Sperrgasflüsse oder verschiedene Sperrgasmischungsflüsse zuführen. Mehrere Sperrgaseinlässe können beispielsweise durch Einlasslanzen realisiert sein, die sich in X- oder Y-Richtung oder einer davon abweichenden Richtung erstrecken. Dabei handelt es sich um Gaskanäle mit einer Vielzahl über die Kanallänge verteilter Einlässe. Die Einlasslanzen können segmentiert sein und/oder mittels Durchfluss- oder Mengenmessgeräte lokal differenziert Sperrgas in gewünschter Zusammensetzung einlassen. Eine solche kanalartige Ausbildung ist ergänzend oder alternativ auch für die Verwendung einer Mehrzahl von Sperrgaspumpauslässen möglich.
Der zu erzielende Gasseparationsfaktor wird insbesondere durch die an der Gasseparationseinheit angrenzenden Abschnitte und dort realisierten Prozesse bestimmt. Eine zuverlässige Gasseparation ist erforderlich, wenn die Gasseparationseinheit zwischen zwei nebeneinander angeordneten Prozessabschnitten mit unterschiedlichen Prozessbedingungen eingefügt ist, da diese sich gegenseitig meist nicht beeinflussen sollen. Werden in beiden Prozessabschnitten beispielsweise metallische Schichten mittels Sputtern bei Einsatz desselben Prozessgases und bei Prozessdrücken, die innerhalb einer Größenordnung (Zehnerpotenz) variieren, abgeschieden, sind Gasseparationsfaktoren im Bereich bis zu 10 ausreichend. Erfolgt in mindestens einem der Prozessabschnitte reaktives Sputtern unter Anwesenheit eines Reaktivgases im Prozessgas kann sich der notwendige Gasseparationsfaktor auf mehr als 100 erhöhen. Bei anderen Behandlungsverfahren und mit fortschreitender Entwicklung der Behandlungsverfahren, der verwendeten Materialien und der Anforderungen an die Ergebnisse der Prozesse, beispielsweise die Beschichtungs- und Behandlungsqualitäten, können die Faktoren nicht unerheblich von diesen Werten abweichen.
Zur Bereitstellung eines gewünschten Gasseparationsfaktors können aufgrund verschiedener anlagentechnischer oder prozessualer Erfordernisse, beispielsweise wenn die Geometrie des Strömungswiderstands Beschränkungen unterliegt oder bei hohen Gasseparationsfaktoren, hohe Sperrgasflüsse an den Sperrgaseinlässen und Sperrgaspumpauslässen eingesetzt. Um zudem innerhalb des Strömungswiderstandes einen lokal gleichmäßig hohen Gasseparationsfaktor zu realisieren, kann es erforderlich sein, die Sperrgasflüsse in Y-Richtung zu variieren.
Entsprechend verschiedener Ausgestaltungen der Gasseparationseinheit können beispielsweise in X-Richtung, d. h. mit zunehmendem Abstand vom Durchgang zwischen Prozessabschnitt und Gasseparationseinheit und damit vom Eingang bzw. Ausgang des Strömungskanals, abwechselnd ein Sperrgaspumpauslass und ein Sperrgaseinlass angeordnet. Auf diese Weise kann die Wirkung einer einstufigen Gasseparation (ein Sperrgaseinlass in Kombination mit einem Sperrgaspumpauslass) vervielfacht werden. Oder es wird ein Sperrgaspumpauslass unmittelbar neben dem Durchgang zwischen Gasseparationseinheit und Prozessabschnitt angeordnet, wodurch das Überströmen des Sperrgases in den Prozessabschnitt zuverlässig verhindert werden und in den Gasseparationseinheit eintretendes Prozessgas mit der Sperrgasströmung abgepumpt werden kann. Eine Kombination beider Optionen führt minimal zu einer Anordnung eines Sperrgaspumpauslasses benachbart zum Durchgang und eines Sperrgaseinlasses mit einem größeren Abstand zum Durchgang. Diese Abfolge kann sich mehrfach fortsetzen und mit einem Sperrgaspumpauslass am Durchgang zum nächsten Abschnitt abgeschlossen werden. Alternativ ist jedoch auch jede beliebige Abfolge von Ein- und Auslässen für das Sperrgas möglich. Von Vorteil für die Änderung der Anzahl und Anordnung von Sperrgaseinlässen und Sperrgaspumpauslässen ist ein modularer Aufbau, welcher den Ersatz einer Komponente durch eine andere mit kompatiblen Abmessungen und Schnittstellen der Komponenten unterstützt.
Mit dem beschriebenen Gasseparationseinheit sind Gasseparationsfaktoren von größer 100 erzielbar, beispielsweise mit der Verwendung von zwei Anordnungen von Sperrgaspumpauslässen und einem dazwischen liegenden Anordnung von Sperrgaseinlässen in X-Richtung. Der Begriff der Anordnung beschreibt dabei sowohl einen Aus- bzw. Einlass als auch mehrere einer Sorte, die gemeinsam wirken, wie z.B. eine Reihe von in Y-Richtung nebeneinander liegenden Auslässen, die in einer Durchlaufanlage quer zur Substrattransportrichtung angeordnet sind oder in Y-Richtung nebeneinander liegende Speergaseinlasssegmente, die jeweils mittels eines Durchflaussreglers angesteuert werden können. Durch eine Abfolge mehrerer Sperrgasein- und -Auslässe in X-Richtung in einer Gasseparationseinheit sind auch Gasseparationsfaktoren größer 1000 realisierbar.
In einer Ausgestaltung der Gasseparationseinheit und des damit realisierten Verfahrens sind zumindest ein Sperrgaseinlass oder zumindest ein Sperrgaspumpauslass oder beide in ihrer effektiven Position oder im Gasdurchfluss oder in beiden Parametern variierbar. Als „effektive“ Position wird eine Position eines Sperrgaseinlasses oder Sperrgaspumpauslasses bezeichnet, in der dieser an der Erzeugung der oben angeführten Druckdifferenz und der damit verbundenen Sperrgasströmung beteiligt ist. Sie kann mit der geometrischen Position auseinanderfallen, wenn ein Sperrgaseinlass oder Sperrgaspumpauslass, möglicherweise nur temporär, nicht zur Erzeugung der Sperrgaströmung verwendet wird.
So kann ein Sperrgaseinlass und/oder ein Sperrgaspumpauslass im Strömungswiderstand verschiebbar oder der Sperrgaszufluss oder die Saugleistung kann steuerbar oder regelbar sein. Oder beide Alternativen sind miteinander kombiniert. Sie gestatten es, den Gasseparationsfaktor an die jeweiligen lokalen Anforderungen in Bezug auf die Behandlung an sich als auch auf den erforderlichen Grad der Abgrenzung der Prozessatmosphäre im Prozessabschnitt anzupassen und den dafür erforderlichen technischen und energetischen Aufwand zu optimieren. Die Einstellbarkeit der Parameter der Gasseparation gestattet zudem deren Anpassung und Optimierung ohne dabei auf die Prozessparameter Einfluss nehmen zu müssen.
Eine Verschiebung des Sperrgaseinlasses oder des Sperrgaspumpauslasses oder beider und eine damit erzielbare Änderung des Abstandes führen ebenso zu einer Änderung der Druck- und Strömungsverhältnisse des Sperrgases in der Gasseparationseinheit wie eine Variation der Gasflüsse an Ein- und Auslass. Mit den Strömungsverhältnissen ist die Gastrennung variierbar und der Gastrennfaktor auf einen gewünschten Wert einstellbar.
In einer Ausgestaltung der Gasseparationseinheit sind ein Sperrgaseinlass und/oder ein Sperrgaspumpauslass der Gasseparationseinheit in Richtung der Erstreckung des Strömungswiderstandes zwischen Eingang und Ausgang der Gasseparationseinheit in einem verschiebbar. Beide möglichen Verschiebungsrichtungen stellen jeweils einen der zwei möglichen Richtungssinne der ersten Richtung (X-Richtung) dar und sollen deshalb beide als „erste Richtung“ bezeichnet sein. In Bezug auf einen an die Gasseparationseinheit angrenzenden Abschnitt einer Vakuumanlage weist die erste Richtung zum angrenzenden Abschnitt oder von diesem weg.
Darüber hinaus kann ein Sperrgaseinlass und/oder ein Sperrgaspumpauslass in einer zweiten Richtung verschiebbar ist, die von der ersten Richtung abweicht, so dass die Variation und/oder Regelbarkeit auch in der zweiten Richtung möglich ist.
Neben einer realen Verschiebung in zumindest eine der beiden Richtungen, die beispielsweise unter Verwendung von auswechselbaren oder verschiebbaren Platten, teilweise überlappenden Verschiebeplatten, Blenden oder anderen geeigneten Vorrichtungen erfolgen kann, kann eine Verschiebung der effektiven Position der Sperrgaseinlässe und/oder Sperrgaspumpauslässe auch durch Öffnen und Schließen einzelner oder mehrerer Ein- bzw. Ausgänge, auch ganzer Segmente von Ein- und/oder Auslasssystemen erfolgen.
Durch eine geeignete Ausrichtung der Sperrgaseinlassöffnung oder deren Kombination mit einer zusätzlichen Vorrichtung, wie spezielle Einströmdüsen, winklige Düsen, T-Stücke am Ausgang oder Prallflächen, kann in einer weiteren Ausgestaltung die Richtung und Geschwindigkeit des eingelassenen Sperrgases so eingestellt werden, dass die Gasseparation weiter effektiviert werden kann, im Vergleich zu einem Einlass des Sperrgases senkrecht auf eine Substrattransportebene. Bezogen auf die obige Richtungsbenennung und eine Substratbehandlungsanlage wäre Letztere die Z-Richtung. Beispielsweise kann das Sperrgas auch in Richtung des aus einem angrenzenden Abschnitt einströmende Prozessgas orientiert werden (X-Richtung), dessen Überströmen in einen anderen Abschnitt verhindert werden soll. Mittels der entgegengesetzten Strömung des Sperrgases kann eine asymmetrische Ausbildung des Strömungswiderstandes mit erhöhter Sperrwirkung in Bezug auf dieses Prozessgas bewirkt werden. Auch ein Einlass in Y-Richtung kann erfolgen.
Alternativ oder ergänzend zu den hier beschriebenen Maßnahmen zur Variation der Sperrgasströmung kann auch eine variierbare Kanalhöhe des Strömungswiderstandes ausgebildet sein, so dass auch auf diese Weise die Strömungsverhältnisse in der Gasseparationseinheit und insbesondere im Strömungswiderstand beeinflusst werden kann. Beispielsweise sind die erforderlichen Sperrgasmengen, die Strömungsgeschwindigkeiten und die im Strömungswiderstand effektiv erzeugbaren Druckdifferenzen modifizierbar. Die Höhe des Strömungswiderstandes liegt meist im Bereich weniger Millimeter bis zu einigen Zentimetern, die Länge im Bereich von einigen Zentimetern bis zur gesamten Abschnittslänge, die im Meterbereich liegen kann. Sie wird in Vakuumbehandlungsanlagen mitunter durch die durch den Strömungswiderstand zu transportierenden Substrate definiert.
Auch zur Festlegung der Konfiguration der Gasseparationseinheit und dessen Betriebs entsprechend der zur Verfügung stehenden, zuvor beschriebenen Alternativen können rechentechnische Simulationen und/oder praktische Versuche durchgeführt werden.
Die Sperrgasmengen können entsprechend weiterer Ausgestaltungen mittels einer oder mehrerer Einrichtungen zur Steuerung oder Regelung des Gasflusses des Sperrgaseinlasses variierbar ausgebildet sein. Dafür geeignet sind verschiedene Durchfluss- und Mengenregelvorrichtungen, wie beispielsweise Massen- oder Volumendurchflussregler oder andere. Neben der Flussmenge an sich, die homogen oder, wie oben beschrieben, über getrennt angesteuerte Sperrgaseinlässe in X- und/oder Y-Richtung einstellbar ist, sind auch die Sperrgaszusammensetzungen mittels mehrerer Sperrgaszuflüsse, welche unterschiedliche Gase führen (innengemischt) oder mittels eines Sperrgaszuflusses, dem über mehrere der genannten Messgeräte mehrere Gase zugeführt werden (außengemischt), einstellbar.
Alternativ oder ergänzend kann auch die Menge des abgepumpten Sperrgases gesteuert oder geregelt werden, wenn ein Sperrgaspumpauslass eine in der Größe variierbare Auslassöffnung und/oder Drosselventile aufweist. Zudem kann durch verstellbare Auslassöffnungen eine vordefinierte Sperrgasmenge auf mehrere Auslässe gleichmäßig oder unterschiedlich aufgeteilt werden. Drosselventile oder Pumpregelungen gestatten die Einstellbarkeit der Pumpgeschwindigkeit bzw. des Gasflusses zumindest eines Sperrgaspumpauslasses.
Weiterhin kann durch Steuerung oder Regelung des Differenzdrucks zwischen Sperrgaseinlass und einem Durchgang der Gasseparationseinheit zu einem angrenzenden Abschnitt mittels der Sperrgasdurchflussmenge jene die Gasseparation ändernden Bedingungen fortlaufend, auch automatisch, angepasst werden. Die weitreichende Variabilität der Sperrgasströmung und Druckdifferenzen im Strömungskanal in Verbindung mit deren direkter Korrelation zum Gasseparationsfaktor und mit der beschriebenen Steuerung und Regelung gestatten es, den Gasseparationsfaktor während des Betriebs der Gasseparationseinheit oder der Vakuumanlage zu regeln, indem Abweichungen z.B. unter Verwendung einer Kennlinie, welche die Abhängigkeit des Gasseparationsfaktors von der Druckdifferenz abbildet, ausgeglichen werden. Beispielsweise können mittels Druckmessgeräten, die in der Gasseparationseinheit, bevorzugt im Strömungskanal, Differenzdrücke in der Gasseparationseinheit oder im Strömungskanal gemessen werden und durch manuelle und automatische Steuerung mittels einer geeigneten Steuervorichtung der Gasdurchflussmengen zumindest eines Sperrgaseinlasses und/oder Sperrgaspumpeinlasses die Differenzdrücke und damit der Gasseparationsfaktor ausgeregelt werden.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Gasseparationseinheit weist die Oberfläche zumindest einer Wandung des Strömungswiderstands innerhalb des Strömungswiderstands zumindest abschnittsweise, und zwar im Bereich einer Oberfläche, die mit der Sperrgasströmung zwischen einem Sperrgaseinlass und einem Sperrgaspumpauslass in Kontakt kommt, eine mittels Oberflächenbehandlung erhöhte Oberflächenrauigkeit auf. Damit kann die Druckdifferenz im Strömungskanal infolge schlechterer Strömungsverhältnisse im Vergleich zur nicht aufgerauten Oberfläche, beispielsweise derselben Wandung abseits der Sperrgasströmung, z.B. an der Außenseite derselben Wandung, erhöht werden. Solche Oberflächen können durch Ätzen, Strahlen, Beschichten oder auf andere Weise erzeugt werden.
Alternativ oder ergänzend können auf der Oberfläche innerhalb des Strömungswiderstandes auch Mittel zur Erhöhung des Strömungswiderstandes angeordnet sein. Solche Mittel ragen mehr oder weniger in den Strömungswiderstand hinein, so dass die Strömung gestört wird. Dafür eignen sich beispielsweise Lamellen, flächig aufgebrachtes Gewebe, z.B. aus Metall, Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien, oder andere geometrische Gebilde.
Umfang und Position der modifizierten Oberfläche des Strömungswiderstands können von sehr vielfältigen Faktoren der Gasseparationseinheit und den angrenzenden Abschnitte abhängen, beispielsweise von den Einbauten in der Gasseparationseinheit und deren Variabilität, von den Sperr- und Prozessgasen sowie vom zu erzielenden Gasseparationsfaktor.
Die zuvor beschriebene Gasseparationseinheit und deren Komponenten können nach dem gleichen Konzept und mit den gleichen Materialien ausgebildet sein, wie auch die Anlage, in welcher sie eingesetzt wird. Beispielsweise kann sie vollständig oder teilweise aus einem System von Patten, Blechen und/oder Trennwänden zusammengesetzt oder zusammensetzbar sein, so dass ihre Geometrie gezielt und variabel an die Anlage anpassbar ist und die oben beschriebene Variabilität realisierbar ist. Die Gasseparationseinheit kann entweder ein eigenes umhüllendes Gehäuse haben oder die Wandungen der Anlage nutzen, in welche sie eingebaut wird. Sie kann alternativ auch als eine kompakte Einheit ausgebildet sein, die auf einen definierten Einsatzzweck und die dortigen Bedingungen und Anforderungen abgestimmt ist.
Die zuvor beschriebenen Effekte und Ausgestaltungen sind für Vakuumanlagen zur Behandlung von Substraten verwendbar. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Anlage selbst und die zu behandelnden Substrate Parameter für die Gasseparationseinheit und deren Betrieb definieren.
So begrenzen unebene oder ungleichmäßig starke oder ungleichmäßig gestaltete Substrate oder solche, die in Substratträgern gehalten werden, häufig die minimale Kanalhöhe der Strömungswiderstände oder erfordern unterschiedlich hohe Strömungswiderstände in Y-Richtung in Abhängigkeit von der Höhe des Substrats bzw. Substratträgers.
Auch die Lage des Substrats und der Behandlungsmodus haben Einfluss auf die Anordnung und Dimensionierung der Komponenten der Gasseparationseinheit. So kann beispielsweise ein vertikal geführtes Substrat andere Sperrgaseinlässe und Sperrgaspumpauslässe erfordern als ein horizontal geführtes Substrat. Auch eine einseitige oder beidseitige Behandlung eines Substrats kann die Gestaltung der aktiven Gasseparation bestimmen. In beiden Fällen können ein- oder beidseitig des Substrats erzeugte Sperrrgasflüsse erforderlich sein.
Darüber hinaus haben das Behandlungsverfahren des Substrats oder zumindest einzelne Verfahrensschritte davon Einfluss auf die Sperrgaszusammensetzung. Für gängige Beahdlungsverfahren sind als Sperrgas z.B. O₂, N₂, H₂, NH₃, NO₂, N₂O, CO₂, CH₄, H₂S und Reaktivgase für Schichtherstellungen und Schichtmodifikationen sowie Mischungen davon geeignet.
Ein zum Betrieb der zuvor beschriebenen Vakuumanlage mit Gasseparationseinheit ausführbares Verfahren zur Behandlung eines Substrats, setzt ein Substrat in einem Prozessabschnitt unter Prozessatmosphäre mindestens einer Substratbehandlungseinrichtung aus und behandelt das Substrat damit in der gewünschten Weise und erzeugt während der Behandlung in einer an den Prozessabschnitt angrenzenden Gasseparationseinheit mittels zumindest eines in den Strömungswiderstand mündenden Sperrgaseinlasses und zumindest eines in der Gasseparationseinheit mündenden Sperrgaspumpauslasses Druckdifferenzen zwischen Sperrgaseinlass, Ein- und Ausgang des Strömungswiderstandes bzw. der Gasseparationseinheit und Sperrgaspumauslass sowie eine Strömung eines Sperrgases vom Sperrgaseinlass zum Sperrgaspumpauslass. Die gerichtete Strömung des Sperrgases verhindert bzw. vermindert signifikant, wie oben dargelegt, in Verbindung mit der beschriebenen Anordnung von Sperrgaseinlässen und Sperrgaspumpauslässen in der Gasseparationseinheit ein Überströmen des Sperrgases in den Prozessabschnitt und ein Überströmen von Prozessgas in einen weiteren, ebenfalls an der Gasseparationseinheit angrenzenden Abschnitt der Vakuumanlage. Als Behandlung kommen die oben beschriebenen additiven, subtraktiven oder modifizierenden Behandlungen der Oberfläche des Substrats unter Vakuum in Betracht, insbesondere solche, bei denen im Prozessabschnitt ein Plasma für die Behandlung des Substrats erzeugt wird.
Es wird ein gewünschter Gastrennfaktor eingestellt, mit welchem der eine Prozessabschnitt von einem weiteren Abschnitt hinsichtlich der in beiden verwendeten Atmosphären separiert werden. Die Einstellungen erfolgen beim Betrieb einer Vakuumbehandlungsanlage in Abhängigkeit von den Anforderungen der Behandlung und vom Substrat. Zur Einstellung werden effektive Position und/oder Gasfluss zumindest eines Sperrgaseinlasses und/oder zumindest eines Sperrgaspumpauslasses variiert.
Der Fachmann würde die vorstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung in weiteren Ausführungsformen der eingangs genannten, verschiedenen Anlagen- und Substrattypen sowie Behandlungsverfahren und Behandlungsrichtungen anpassen und ohne weiteres auch anders als beschrieben miteinander kombinieren, wenn er dies als naheliegend und als sinnvoll erachtet. So würde er auch die Anzahl der Ein- und Auslässe für Sperrgas an sich sowie der variierbaren Ein- und Auslässe in den durch die Vorrichtung gegebenen Grenzen wählen bzw. variieren.
Nachfolgend soll die Gasseparationseinheit anhand einer Ausführungsform einer Vakuumanlage mit einer solchen Gasseparationseinheit beispielhaft, jedoch nicht beschränkend näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in
1 schematisch einen Ausschnitt einer Durchlauf-Vakuumanlage während der Behandlung eines bandförmigen Substrats und
2A und 2B Ausschnitte eines Gasseparationseinheit mit Strömungskanal und alternativen Ausgestaltungen von Sperrgaseinlässen.
Die nachfolgend beschriebenen Darstellungen dienen lediglich der Erläuterung und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Maßstäblichkeit der Komponenten.
In 1 wird das Substrat 3 mittels eines geeigneten Substrattransportsystems (nicht dargestellt) in einer Substrattransportrichtung 4 durch die Vakuumanlage transportiert. Dargestellt sind drei aufeinander folgende Abschnitte 1. Das Substrat 3 unterteilt jeden Abschnitt 1 bezüglich der Substratposition in einen oberen Teilabschnitt 1‘ und einen unteren Teilabschnitt 1“. Zumindest für den dargestellten Ausschnitt ist der Richtungssinn des Transports ohne Bedeutung, was durch den Doppelpfeil der Substrattransportrichtung 4 dargestellt ist. Während eines Durchlaufs durchläuft das Substrat 3 die drei Abschnitte 1, zunächst einen ersten Prozessabschnitt 1, danach einen Gasseparationsabschnitt und anschließend einen zweiten Prozessabschnitt. Der Gasseparationsabschnitt entspricht längenmäßig einer Gasseparationseinheit 2.
Die Prozessabschnitte sind im Ausführungsbeispiel Beschichtungsabschnitte, die Sputterquellen als Substratbehandlungseinrichtung 5, Vakuumanschlüsse 6 und Prozessgaseinlässe 7 für ein Inertgas und ein Reaktivgas aufweisen.
Die im Ausführungsbeispiel im Gasseparationsabschnitt und zwischen den beiden Prozessabschnitten liegende und unmittelbar an letztere angrenzende Gasseparationseinheit 2 umfasst zwei Strömungswiderstände 8‘, 8“, die oberhalb und unterhalb des bandförmigen Substrats 3 angeordnet sind. Die Strömungswiderstände verlaufen durch die gesamte Gasseparationseinheit 2 und werden beide jeweils durch eine Substratoberfläche und ein der jeweiligen Substratoberfläche gegenüberliegendes Blech 9 gebildet. Sie grenzen in Verbindung mit den Kanälen der Sperrgaspumpauslässe gemäß nachfolgender Beschreibung den gesamten Bereich der Gasseparationseinheit 2 über bzw. unter dem Strömungswiderstand 8‘, 8“ zum Substrat 3 hin ab. Die Bleche 9 können in der Umgebung der Sperrgaseinlässe 10, zumindest innerhalb der Strömungswiderstände 8‘, 8‘‘, eine aufgeraute Oberfläche (nicht dargestellt) aufweisen.
Die Komponenten des oberen Bereichs 2‘ und des unteren Bereichs 2“ der Gasseparationseinheit 2 sind symmetrisch zum Substrat 3 angeordnet, sofern nachfolgend nichts anderes beschrieben wird. Insoweit beide Bereiche 2‘, 2“ übereinstimmen, erfolgt die nachfolgende Beschreibung anhand des oberen Bereichs 2‘.
Die Gasseparationseinheit 2 weist mittig eine Reihe von Sperrgaseinlässen 10 auf, die in Blickrichtung hintereinander liegend und damit in Y-Richtung gemäß dargestelltem Koordinatensystem über die gesamte Substratbreite angeordnet sind. Sie sind beispielsweise mittels eines Gaskanals 17, der über seiner Länge verteilt mehrere Düsen umfasst, als Gasinjektionslanzen ausgebildet. Die Gaskanäle 17 sind jeweils als Bestandteil eines Blechs 9 ausgebildet und so angeordnet, dass alle Düsen in den jeweiligen oberen oder unteren Strömungswiderstand 8‘, 8“ münden. Die Düsen gestatten eine Variation des Gaszuflusses (durch Dreiecke dargestellt) und definieren eine Strömungsrichtung, die beispielsweise eine Komponente in X-Richtung und eine Komponente in Z-Richtung aufweist.
Ein solcher Gaskanal 17 kann in mehrere Abschnitte unterteilt sein, so dass jeder Abschnitt mit differenzierbarem Sperrgasfluss betrieben werden kann. Die Differenzierbarkeit kann den Gasfluss, einschließlich geschlossener Düse, und/oder die Gaszusammensetzung betreffen. Die Sperrgaseinlässe 10 können auch anders ausgeführt sein. Dem Fachmann sind hierzu aus der Erzeugung einer Prozessatmosphäre im Prozessabschnitt mit definierter Zusammensetzung und Verteilung verschiedene Systeme und Ausführungen bekannt.
An beiden Enden jedes Strömungswiderstands 8‘, 8“ und damit mit dem größtmöglichen Abstand zu den Sperrgaseinlässen 10 sind jeweils über die gesamte Substratbreite verlaufende Sperrgaspumpauslässe 11 angeordnet. Diese verlaufen parallel zur Trennwand 12 zwischen Prozessabschnitt 1 und Gasseparationseinheit 2 und damit zum Eingang bzw. Ausgang 13 der Gasseparationseinheit 2, durch welche das Substrat 3 durch eine Trennwand 12 läuft. Die Sperrgaspumpauslässe 11 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls mit einem Gaskanal 17, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet wobei das jeweilige Blech 9 eines Strömungswiderstands 8‘, 8“ im mit dem Gaskanal 17 überlappenden Bereich eine Kanalwandung bildet. Die Sperrgaspumpauslässe 11 sind als Mehrzahl schlitzartiger Auslassöffnungen 14 in der dem Substrat 3 gegenüber liegenden Kanalwandung ausgebildet. Im oberen Bereich 2‘ der Gasseparationseinheit 2 sind die Querschnitte der Auslassöffnungen 14 verstellbar, dargestellt durch eine Doppellinie.
Alternativ können auch die Auslassöffnungen 14 im unteren Bereich 2“ verstellbar sein oder die die Sperrgaspumpauslässe 11 Drosselventile aufweisen. Alternativ zu einer schlitzartigen Auslassöffnung 14 eines Sperrgaspumpauslasses 11 können auch eine Reihe von Auslassöffnungen 14 ausgebildet sein, die separaten Abschnitten des Sperrgaspumpauslasses 11 zugeordnet sind und optional einstellbar sind. Auch die Sperrgaseinlässe 10 können eine der oben beschriebenen alternativen Ausgestaltungen aufweisen.
Die Sperrgaseinlässe 10 und die Sperrgaspumpauslässe 11 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel in X-Richtung verschiebbar ausgebildet, jeweils dargestellt durch Doppelpfeile, so dass der Abstand zwischen Einlass 10 und Auslass 11 sowie zwischen Auslass 11 und Trennwand 12 änderbar ist.
Das mittels der Sperrgaseinlässe 10 in den Strömungswiderstand 8‘, 8“ eingelassene Sperrgas breitet sich im Strömungswiderstand 8‘, 8“ aus und wird mittels der Sperrgaspumpeinlässe 11 abgepumpt. Infolge dessen bilden sich im Strömungswiderstand 8‘, 8“ gerichtete Strömungen 15 des Sperrgases aus, dargestellt durch Pfeile, die aus der Mitte des Strömungswiderstandes 8‘, 8“ in Richtung der Durchgänge 13 verlaufen und vor den Durchgängen 8‘, 8“ in die Sperrgaspumpauslässe 11. Die Strömungsrichtung und das Abpumpen des Sperrgases in unmittelbarer Nähe zum Durchgang 13 verhindert zuverlässig das Überströmen von Prozessgas aus einem Prozessabschnitt in den anderen.
Werden andere der oben beschriebenen Anordnungen von Sperrgaseinlässen 10 und Sperrgaspumpauslässen 11 ausgebildet, sind andere Verläufe der gerichteten Strömung 15 und abweichende Strömungsrichtungen erzielbar, wobei durchaus auch entgegengesetzte Strömungsrichtungen als die dargestellten für einen gewünschten Gasseparationsfaktor von Vorteil sein kann.
In 2A und 2B münden in einen Strömungswiderstand 8‘ oberhalb eines Substrats 3, welches in Substrattransportrichtung 4 bewegbar ist, beispielhaft zwei Sperrgaseinlässe 10‘, 10“. Diese sind derart ausgebildet oder weisen Mittel auf, so dass beidseitig (2A) oder einseitig (2B) die Strömung 15 des Sperrgases effektiviert wird. In 2A weisen die Ausgänge der Sperrgasauslässe 10‘, 10“ in entgegengesetzte Richtung voneinander weg. In 2B ist beispielhaft vor einem senkrecht auf das Substrat 3 zulaufendem Sperrgaseinlass 10‘‘ ein Prallblech 16 angeordnet, so dass das Prallblech 16 einen Abstand sowohl zum Substrat als auch zum Sperrgaseinlass 10‘‘ aufweist.
Zusammengefasst sind mit der beschriebenen Gasseparation folgende Vorteile verknüpft:

– Es ist ein hoher Gasseparationsfaktor auch bei geringer Länge der Gasseparationseinheit erzielbar.
– Der Sperrgaseintrag in den Prozessabschnitt kann verhindert oder zumindest auf ein den Prozess nicht störendes Maß reduziert werden.
– Eine Variation der Sperrgaszusammensetzung und eine Reduzierung des Sperrgasverbrauchs sind durch verstellbare und regelbare aktive Komponenten zur Gasseparation möglich.
– Durch, gegebenenfalls modulare, Änderungen in der Zusammensetzung der Komponenten zur Gasseparation, insbesondere der aktiven Komponenten, ist der Gasseparationsfaktor in weiten Grenzen an die Anforderungen des Behandlungsprozesses anpassbar.
– Die Regelbarkeit der aktiven Komponenten gestattet eine Regelung des Gasseparationsfaktors, auch während des Betriebs der Gasseparationseinheit und der Vakuumanlage.

Bezugszeichenliste

1, 1‘, 1“: Abschnitt
2, 2‘, 2“: Gasseparationseinheit
3: Substrat
4: Substrattransportrichtung
5: Substratbehandlungseinrichtung
6: Vakuumanschluss
7: Prozessgaseinlass
8‘, 8“: Strömungswiderstand
9: Blech
10, 10‘, 10“: Sperrgaseinlass
11: Sperrgaspumpauslass
12: Trennwand
13: Eingang bzw. Ausgang
14: Auslassöffnungen
15: Strömung
16: Prallblech
17: Gaskanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010022277 A1 [0005, 0007, 0008]
DE 102010028734 A1 [0007]

Claims

Gasseparationseinheit zur Separation von voneinander abweichenden Prozessatmosphären, die in nicht gasdicht voneinander getrennten Abschnitten (1) einer Vakuumanlage herrschen, folgende Komponenten umfassend: – zumindest einen Strömungswiderstand (8‘, 8“) aufweist, welcher in Form eines vierseitig umschlossenen Kanals von einem Eingang der Gasseparationseinheit zu deren Ausgang durch die Gasseparationseinheit verläuft, – zumindest einen Sperrgaseinlass (10, 10‘, 10“), welcher mit einer Sperrgasquelle verbunden ist, und – zumindest einen Sperrgaspumpauslass (11), welcher mit einer Pumpanordnung verbunden ist, – wobei der Sperrgaseinlass (10, 10‘, 10“) und beabstandet zu diesem der Sperrgaspumpauslass (11) in den Strömungswiderstand (8‘, 8“) münden.
Gasseparationseinheit nach Anspruch 1, wobei die effektive Position und/oder der Gasfluss eines Sperrgaseinlasses (10, 10‘, 10“) und/oder eines Sperrgaspumpauslasses (11) variierbar ist.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die effektive Position eines Sperrgaseinlass (10, 10‘, 10“) und/oder eines Sperrgaspumpauslass (11) in Richtung der Erstreckung des Strömungswiderstandes (8‘, 8“) zwischen Eingang und Ausgang (13) der Gasseparationseinheit (2), nachfolgend als erste Richtung bezeichnet, oder in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung abweicht, verschiebbar ist.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sperrgaseinlass (10, 10‘, 10“) und/oder der Sperrgaspumpauslass (11) kanalartig ausgebildet ist und sich in der ersten oder zweiten Richtung erstreckt.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Mittel zur Beeinflussung der Richtung und der Geschwindigkeit der Strömung des eingelassenen Sperrgases angeordnet sind.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Sperrgaseinlass (10, 10‘, 10“) zumindest eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Gasflusses und/oder ein Sperrgaspumpauslass (11) eine in der Größe variierbare Auslassöffnung (14) und/oder Drosselventile aufweist.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Sperrgaspumpauslass (11) unmittelbar neben dem Eingang oder Ausgang (13) der Gasseparationseinheit (2) angeordnet ist.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mit zunehmendem Abstand vom Eingang oder Ausgang (13) der Gasseparationseinheit (2) abwechselnd ein Sperrgaspumpauslass (11) und ein Sperrgaseinlass (10, 10‘, 10“) angeordnet sind.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche zumindest einer Wandung des Strömungswiderstands (8‘, 8“) innerhalb des Strömungswiderstands (8‘, 8“) zumindest abschnittsweise eine mittels Oberflächenbehandlung erhöhte Oberflächenrauigkeit und/oder Mittel zur Erhöhung des Strömungswiderstandes aufweist.
Gasseparationseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Gasseparationseinheit, bevorzugt im Strömungskanal (8‘, 8“), Druckmessgeräte zur Messung von Differenzdrücken im Strömungskanal (8‘, 8“), angeordnet sind.
Vakuumanlage zur Behandlung von Substraten (3), welche in zumindest zwei Abschnitte unterteilt ist und folgende Komponenten umfasst: – eine Vakuumkammer, welche zumindest einen als Prozessabschnitt ausgebildeten Abschnitt (1) aufweist, – Mittel zur Erzeugung einer Prozessatmosphäre in dem Prozessabschnitt, – zumindest einen an den Prozessabschnitt angrenzenden Gasseparationsabschnitt zur Trennung der Prozessatmosphäre des Prozessabschnitts von einem weiteren, ebenfalls an den Gasseparationsabschnitt angrenzenden Abschnitt (1) der Vakuumanlage, – wobei der Gasseparationsabschnitt eine Gasseparationseinheit (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Gasseparationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mittels zumindest eines in den Strömungswiderstand (8‘, 8“) der Gasseparationseinheit mündenden Sperrgaseinlasses (10) und zumindest eines in den Strömungswiderstand (8‘, 8“) der Gasseparationseinheit (2) mündenden Sperrgaspumpauslasses (11) eine Strömung (15) eines Sperrgases vom Sperrgaseinlass (10, 10‘, 10“) zum Sperrgaspumpauslass (11) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei mittels Variation der effektiven Position und/oder des Gasflusses zumindest eines Sperrgaseinlasses (10) und/oder zumindest eines Sperrgaspumpauslasses (11) ein gewünschter Gastrennfaktor eingestellt und/oder gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Vakuumanlage zur Behandlung eines Substrats (3), wobei – ein Substrat (3) in einem Prozessabschnitt unter Prozessatmosphäre mindestens einer Substratbehandlungseinrichtung (5) ausgesetzt und behandelt wird und – während der Behandlung des Substrats (3) in einem an den Prozessabschnitt angrenzenden Gasseparationsabschnitt eine Gasseparation nach einem der Ansprüche 12 oder 13 erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Prozessabschnitt ein Plasma für die Behandlung des Substrats (3) erzeugt wird.