DE102016213951A1

DE102016213951A1 - Verbesserte Lenkung von Ionen aus einem Plasma auf ein zu beschichtendes Substrat

Info

Publication number: DE102016213951A1
Application number: DE102016213951.7A
Authority: DE
Inventors: Marcus Guenther; Oliver Schmidt; Wladislaw Dobrygin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-02-01
Also published as: CN109477209B; US20200370169A1; WO2018019482A1; EP3491165A1; CN109477209A

Abstract

Substrathalter (1), umfassend einen ersten Kontakt (3) für die Zuführung eines Potentials US zum Substrat (2), wobei ein Ladebereich (12) auf der Oberfläche (11) des Substrathalters (1) als durch von der Ionenquelle (104) einer Beschichtungsanlage (100) eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13), und/oder wobei ein zweiter Kontakt (4) vorgesehen ist, über den ein Elektrodenbereich (14) auf der Oberfläche (11) des Substrathalters (1) mit einem vom Potential US verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist. Beschichtungsanlage (100) mit mindestens einer Ionenquelle (104) und einer ersten Spannungsquelle (106), die mit dem zu beschichtenden Substrat (2) verbindbar ist, so dass Gasionen (101), und/oder Ionen (102) eines Beschichtungsmaterials (103), aus der Ionenquelle (104) durch ein von der ersten Spannungsquelle (106) am Substrat (2) angelegtes elektrisches Potential US in Richtung auf das Substrat (2) beschleunigt werden können, wobei mindestens eine Nebenfläche (11, 105), auf die sich das Substrat (2) verfehlende Ionen (101, 102) zubewegen, als durch eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13, 113), und/oder wobei mindestens eine zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, die mit der Nebenfläche (11, 105) verbindbar ist, so dass diese Nebenfläche (11, 105) mit einem vom Potential US verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist. Verfahren zum Betreiben und Computerprogrammprodukt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Substrathalter und eine Beschichtungsanlage zur Beschichtung von Substraten mit Ionen aus einem Plasma sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Beschichtungsanlage.
Stand der Technik
Beim Vakuumbeschichten von Bauteilen im industriellen Maßstab wird eine Mehrzahl gleichzeitig zu beschichtender Bauteile als Substrate um ein zentrales Plasma herum gruppiert. Das Plasma fungiert als Quelle für Ionen des Beschichtungsmaterials. Durch Anlegen einer Hochspannung an die einzelnen Substrate werden Ionen in Richtung auf die Substrate beschleunigt. Da die Ionen mit hohen kinetischen Energien auf den Substraten auftreffen, wird dort eine qualitativ hochwertige Beschichtung gebildet.
Eine entsprechende Apparatur ist aus der DE 198 26 259 A1 bekannt. Die Trennung von Plasmaerzeugung und Substratspannungserzeugung erlaubt eine Regelung der Substrattemperatur sowie die Verwendung verschiedener Typen von Plasmaerzeugungsquellen. Die Substratspannung wird nach einem bipolar gepulsten Zeitprogramm angelegt, um Aufladungseffekten entgegenzuwirken.
Die JP 2001 107 729 A offenbart, in einer Sputteranlage nicht das Substrat selbst, sondern eine in dem isolierenden Substrathalter vergrabene Elektrode mit einer Spannung zu beaufschlagen. Durch Wechselwirkung dieser Spannung mit dem Plasma wird das elektrische Feld an der Substratoberfläche, und damit auch die Bedeckung des Substrats mit der aufgebrachten Schicht, homogenisiert.
Die JP 2000 119 849 A offenbart, das Substrat auf einem isolierenden Substrathalter zu lagern und gleichzeitig Ladungen aus dem Substrat durch Anlegen einer Biasspannung an das Substrat abzuführen. Auf diese Weise werden Spannungen in den aufgedampften dünnen Schichten reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Substrathalter zum Einbau eines Substrats in eine Beschichtungsanlage entwickelt. Dabei ist vorgesehen, dass eine Oberfläche des Substrathalters einer Ionenquelle der Beschichtungsanlage zugewandt ist. Der Substrathalter umfasst einen ersten Kontakt für die Zuführung eines Potentials U_S zum Substrat.
Erfindungsgemäß ist ein Ladebereich auf der Oberfläche des Substrathalters als durch von der Ionenquelle der Beschichtungsanlage eintreffende Ionen aufladbar ausgebildet, und/oder es ist ein zweiter Kontakt vorgesehen, über den ein Elektrodenbereich auf der Oberfläche des Substrathalters mit einem vom Potential U_S verschiedenen, frei wählbaren Potential U_H beaufschlagbar ist. Dieses Potential U_H kann insbesondere ein Floating-Potential oder ein Massepotential sein.
Beispielsweise kann ein isolierendes Materialstück des Substrathalters den Ladebereich bereitstellen. Insbesondere kann der Substrathalter vollständig aus isolierendem Material gefertigt sein. Die Oberfläche des Substrathalters kann aber auch elektrisch leitend sein. Sie kann dann beispielsweise ganz oder teilweise mit einer Abdeckung versehen sein. Die Abdeckung kann selbst isolierend oder zumindest gegen die Oberfläche des Substrathalters isoliert sein. Die Abdeckung kann beispielsweise eine dielektrische Schicht umfassen, auf der optional noch eine Metallschicht angeordnet sein kann. Die Oberfläche des Substrathalters kann aber auch beispielsweise elektrisch leitend und in ihrer Ebene in mehrere voneinander isolierte Bereiche segmentiert sein. Beispielsweise kann der Substrathalter aus einer Keramik gefertigt sein, auf der die segmentierte elektrisch leitende Oberfläche als Beschichtung aufgebracht ist.
Ein Segment, von dem auftreffende Ionen nicht abfließen können, kann dann als Ladebereich dienen.
Ist ein Bereich auf einer elektrisch leitenden Oberfläche des Substrats durch eine Abdeckung als Ladebereich ausgestaltet, so kann dieser Bereich insbesondere auch gleichzeitig als Elektrodenbereich dienen.
Es wurde erkannt, dass durch den Ladebereich und den Elektrodenbereich einzeln oder in Kombination die Lenkung der Ionen aus dem Plasma auf das Substrat verbessert wird. Insbesondere kann der Anteil der Ionen, der auf das Substrat auftrifft, erhöht werden, während zugleich der Anteil der Ionen, der das Substrat verfehlt und auf Nebenflächen des Substrathalters oder der Beschichtungsanlage auftrifft, vermindert wird.
Ionen, die mit hoher Energie auf Nebenflächen auftreffen, können dort Atome herauslösen, die sich als Verunreinigungen auf dem Substrat niederschlagen. Dies betrifft insbesondere den Reinigungsprozess vor der eigentlichen Beschichtung, bei dem durch Beschuss mit hochenergetischen Gasionen, beispielsweise Argon-Ionen, aus dem als Ionenquelle dienenden Plasma Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats abgetragen werden. Treffen diese Gasionen beispielsweise auf metallische Nebenflächen, können sie dort Metallatome, wie etwa Eisen-Atome, herauslösen.
Zugleich stehen Ionen, die das Substrat verfehlen und auf Nebenflächen auftreffen, auf der Oberfläche des Substrats nicht zur Verfügung. Bereiche der Substratoberfläche, die nicht in direkter Sichtlinie zur Ionenquelle liegen, sind so möglicherweise mit Ionen unterversorgt. Ist das Substrat ein komplexes Bauteil, welches beispielsweise Hinterschnitte aufweist, muss es während der Bearbeitung möglicherweise gedreht oder neu positioniert werden. Dies betrifft sowohl die Reinigung als auch die anschließende Beschichtung.
Der Substrathalter gemäß der Erfindung stellt zwei voneinander unabhängige konstruktive Maßnahmen bereit, die sowohl dem unerwünschte Abtragen von Nebenflächen bei der Reinigung als auch der Unterversorgung von Bereichen der Substratoberfläche mit Ionen entgegenwirken.
Ein Ladebereich auf der Oberfläche des Substrathalters lädt sich im Betrieb der Beschichtungsanlage durch geladene Teilchen, insbesondere Gasionen und/oder Ionen eines Beschichtungsmaterials, auf. Von dieser Ladung geht ein elektrisches Feld aus, welches das elektrische Feld im freien Raum zwischen der Ionenquelle und dem Substrathalter per saldo reduziert. Ionen von der Ionenquelle, die das Substrat verfehlen, werden also schwächer auf den Substrathalter hin beschleunigt. Überraschenderweise hat dies die Wirkung, dass zumindest ein Teil der Ionen, der das Substrat an sich schon verfehlt hat, auf der Flugbahn zum Substrathalter durch statistische Stoßprozesse doch noch eine hinreichende Impulskomponente in Richtung auf die Substratoberfläche erhält und auf der Substratoberfläche auftrifft. Das von der Ladung des Ladebereichs ausgehende elektrische Feld kann, abhängig von seiner Stärke und von der Geschwindigkeit der eintreffenden Ionen, diese Ionen sogar unmittelbar auf die Substratoberfläche umlenken, ohne dass hierfür noch statistische Stoßprozesse nötig sind.
Diese Effekte können allein durch eine Abänderung des Substrathalters bewirkt werden, ohne dass an der Beschichtungsanlage selbst konstruktive Veränderungen vorgenommen werden müssen. Insbesondere kann eine bestehende Beschichtungsanlage mit dem Substrathalter gemäß der Erfindung nachgerüstet werden, ohne dass die Beschichtungsanlage selbst hierfür besondere Voraussetzungen erfüllen müsste.
Nach der bisher im allgemeinen Fachwissen vorherrschenden Meinung wurden Aufladungseffekte an Anlagenteilen durch von der Ionenquelle eintreffende Ionen lediglich als zu vermeidender Störeffekt angesehen, den es zu vermeiden galt. Der Substrathalter und andere Anlagenteile, auf die sich die das Substrat verfehlenden Ionen zubewegten, waren daher in der Regel geerdet, so dass die durch die Ionen eingebrachten Ladungen abfließen konnten. Die Erfinder haben erkannt, dass sich dieser vermeintliche Störeffekt gezielt nutzen lässt, um die Qualität der erhaltenen Beschichtung zu verbessern.
Ist auf der Oberfläche des Substrathalters ein Ladebereich vorgesehen und mit einem zusätzlichen, frei wählbaren Potential U_H beaufschlagbar, so kann das elektrische Feld zwischen der Ionenquelle, dem Substrat und dem Substrathalter in noch größerem Maße und mit noch größerer Freiheit so angepasst werden, dass Ionen, die das Substrat an sich schon verfehlt haben, aktiv in Richtung auf die Oberfläche des Substrats umgelenkt werden. Die Potentiallandschaft kann insbesondere so gestaltet werden, dass das Potential U_S an der Oberfläche des Substrats aus Sicht der Ionen energetisch am tiefsten liegt und/oder die Ionen vom Substrathalter abgestoßen werden.
Neben dem Substrathalter stellt die Erfindung auch eine Beschichtungsanlage bereit, die für die Verwendung mit dem Substrathalter gemäß der Erfindung optimiert ist, aber auch ohne diesen Substrathalter Vorteile gegenüber herkömmlichen Beschichtungsanlagen aufweist und als separate Einheit verkaufbar ist.
Diese Beschichtungsanlage umfasst mindestens eine Ionenquelle und eine erste Spannungsquelle, die mit dem zu beschichtenden Substrat verbindbar ist, so dass Gasionen, und/oder Ionen eines Beschichtungsmaterials, aus der Ionenquelle durch ein von der ersten Spannungsquelle am Substrat angelegtes elektrisches Potential U_S in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden können. Dabei kann die Ionenquelle insbesondere ein Plasma sein. Die Potentiallandschaft im freien Raum jenseits der Plasmarandschicht entscheidet darüber, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich die Ionen aus dem Plasma heraus bewegen.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine Nebenfläche, auf die sich das Substrat verfehlende Ionen zubewegen, als durch eintreffende Ionen aufladbar ausgebildet. Alternativ oder in Kombination ist mindestens eine zweite Spannungsquelle vorgesehen, die mit der Nebenfläche verbindbar ist, so dass diese Nebenfläche mit einem vom Potential U_S verschiedenen, frei wählbaren Potential U_H beaufschlagbar ist. Insbesondere kann die Nebenfläche auf die gleiche Weise aufladbar ausgebildet werden wie zuvor für den Substrathalter beschrieben. Das Potential U_H kann insbesondere ein Floating-Potential oder ein Massepotential sein.
Je nach Geometrie der Beschichtungsanlage, des Substrats und des zugehörigen Substrathalters kann die Nebenfläche am Substrathalter und/oder auch an anderer Stelle innerhalb der Beschichtungsanlage angeordnet sein. Beispielsweise kann sich ein Teil der Ionen, die das Substrat verfehlen, auf den Substrathalter zu bewegen und ein anderer Teil auf die Wand des Vakuumrezipienten. Eine solche Situation kann beispielsweise eintreten, wenn ein Plasma als Ionenquelle im Zentrum der Beschichtungsanlage angeordnet ist und die zu beschichtenden Substrate um das Plasma herum gruppiert sind. Das an den Substraten anliegende Potential U_S zieht die Ionen dann aus dem Plasma radial nach außen. Sind die Substrathalter beispielsweise im Boden oder in der Decke des Vakuumrezipienten befestigt, so bewegen sich Ionen, die die Substrate verfehlen, bevorzugt auf die Seitenwand des Vakuumrezipienten zu.
Die Beschichtungsanlage wirkt zum einen dahingehend mit dem Substrathalter zusammen, dass die zweite Spannungsquelle in Verbindung mit dem zweiten Kontakt des Substrathalters einen Teil der Oberfläche des Substrathalters mit dem Potential U_H beaufschlagen kann. Zum anderen kann auch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreffen von Ionen, die das Substrat verfehlt haben, auf weiteren, nicht zum Substrathalter gehörigen, Nebenflächen durch Aufladung mit den eintreffenden Ionen, durch Beaufschlagung mit dem Potential U_H, oder auch durch eine Kombination beider Maßnahmen, vermindert werden. Die Wirkung ist jeweils die gleiche wie zuvor für den Substrathalter beschrieben: das resultierende elektrische Feld zwischen der Ionenquelle, dem Substrat und den Nebenflächen wird so abgeändert, dass ein Auftreffen von Ionen auf den Nebenflächen mit hoher Energie verhindert wird und idealerweise die Ionen auf die Substratoberfläche umgelenkt werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Regler für die zweite Spannungsquelle vorgesehen. Dieser Regler ist vorteilhaft dazu ausgebildet, das Potential U_H einer Änderung des Potentials U_S dahingehend nachzuführen, dass das Potential U_S aus Sicht der Ionen energetisch tiefer liegt als das Potential U_H. Alternativ oder auch in Kombination ist der Regler dazu ausgebildet, das Potential U_H einer Änderung von Eigenschaften des Ionenreservoirs, und/oder einer Änderung des Potentials U_S, dahingehend nachzuführen, dass das Potential U_H aus Sicht der Ionen abstoßend ist.
Die Beschleunigung, die Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrats erfahren, geht auf eine elektrostatische Kraft zurück. Diese Kraft hängt von der Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und dem Substrat ab, der sogenannten Plasmarandschicht. Das Potential der Plasmarandschicht hängt wiederum von den Eigenschaften des Plasmas ab, beispielsweise von dessen Zusammensetzung, Druck und Ionisierung. So hat etwa die Plasmarandschicht eines reinen Argon-Plasmas, wie es für die der eigentlichen Beschichtung vorgeschaltete Reinigung des Substrats verwendet wird, ein anderes Potential als die Plasmarandschicht eines Plasmas, welches zusätzlich das eigentliche Beschichtungsmaterial enthält. Um die kinetische Energie der auf das Substrat eintreffenden Ionen, und damit auch die Wirkung der Ionen auf dem Substrat, zu kontrollieren, wird das Potential U_S am Substrat als Prozessparameter geführt. Der Regler sorgt nun dafür, dass das Potential U_H stets angepasst wird, um das Auftreffen von Ionen auf Nebenflächen zu minimieren. Damit kann insbesondere sichergestellt werden, dass eine Änderung der Eigenschaften des Plasmas, und/oder von U_S, nicht plötzlich zu einer Unterversorgung von Bereichen der Substratoberfläche mit Ionen führt.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Substrathalter gemäß der Erfindung in die elektrische Verbindung zwischen der ersten Spannungsquelle und dem Substrat, und/oder in die elektrische Verbindung zwischen der zweiten Spannungsquelle und der Nebenfläche, geschaltet. Beispielsweise kann die erste Spannungsquelle über den ersten Kontakt des Substrathalters mit dem Substrat verbunden sein, und/oder die zweite Spannungsquelle kann über den zweiten Kontakt des Substrathalters mit einem Elektrodenbereich des Substrathalters verbunden sein.
Wird ein Bereich auf dem Substrathalter oder einer sonstigen Nebenfläche mit einer dielektrischen Beschichtung oder anderen isolierenden Abdeckung aufladbar ausgebildet, so gibt es für die Dicke dieser dielektrischen Beschichtung bzw. isolierenden Abdeckung ein Minimum. Dieses Minimum ist durch die materialabhängige Durchschlagsfestigkeit gegeben. Die Dicke sollte so gewählt sein, dass die Durchbruchsfeldstärke zu jedem Zeitpunkt größer ist als die Feldstärke in der Beschichtung bzw. Abdeckung, die aufgrund der Oberflächenladung entsteht. Die maximale Dicke ist durch die Störkonturen der Substrathalter begrenzt, wie z.B. benachbarte Substrathalter und/oder Anlagenteile bzw. das Plasma selbst.
Je nach Anwendung können also dünne Beschichtungen mit Dicken von wenigen Mikrometern, aber auch etwa Isolierungen aus Keramik- oder Polymermaterialien mit Dicken bis zu mehreren Zentimetern zur Realisierung eines Ladebereichs verwendet werden.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer Beschichtungsanlage, in der Gasionen, und/oder Ionen eines Beschichtungsmaterials, aus einem Ionenreservoir durch Anlegen eines elektrischen Potentials U_S an einem Substrat in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden.
Erfindungsgemäß wird mindestens eine Nebenfläche, auf die sich das Substrat verfehlende Ionen zubewegen, mit einem vom Potential U_S verschiedenen Potential U_H beaufschlagt. Hierbei wird vorteilhaft insbesondere ein Potential U_H gewählt wird, das auf die Ionen abstoßend wirkt. Dies hat zur Folge, dass zumindest einige der Ionen von der Nebenfläche ferngehalten werden. Das Potential U_H kann insbesondere ein Floating-Potential oder ein Massepotential sein.
Besonders vorteilhaft wird eine Kombination von Potentialen U_S und U_H gewählt wird, die in Richtung der Nebenfläche fliegende Ionen auf das Substrat hin umlenkt. Auf diese Weise kann insbesondere die Oberfläche eines komplexen Bauteils mit Hinterschnitten, von denen aus es keine direkte Sichtlinie in Richtung der Ionenquelle gibt, vollständig bearbeitet werden, ohne dass das Bauteil im Vakuumrezipienten gedreht oder sonst wie bewegt werden muss. Ein entsprechender Aufwand für mechanische oder elektrische Durchführungen in den Vakuumrezipienten kann eingespart werden. Dies gilt sowohl für die eigentliche Beschichtung als auch für die dieser Beschichtung vorausgehende Reinigung. Sind jedoch Mittel für eine Bewegung des Substrats in der Beschichtungsanlage vorhanden, so kann diese Bewegung mit den Maßnahmen gemäß der Erfindung vorteilhaft zusammenwirken.
Die aus dem Potential der Ionenquelle im Zusammenspiel mit den Potentialen U_S und U_H gebildete Potentiallandschaft lenkt Ionen abhängig von ihrem Ausgangsort und ihrem Ausgangsimpuls gemäß den Gesetzen der Elektrostatik in deterministischer Weise zu einem bestimmten Ort auf der Oberfläche des Substrats. Da die Ionenquelle, etwa ein Plasma, räumlich ausgedehnt ist und auch die Anfangsimpulse der Ionen eine Verteilung mit einer gewissen Breite aufweisen, werden auch die Auftrefforte der Ionen auf der Oberfläche des Substrats über ein Gebiet mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung verteilt sein. Dennoch können speziell bei großformatigen Bauteilen als Substrate, und/oder bei einer besonders komplexen Geometrie der Hinterschnitte, Teile der Oberfläche mit Ionen unterversorgt bleiben. Um speziell im Bereich außerhalb der direkten Sichtlinie zur Ionenquelle die Gesamtdosis an Ionen über die Oberfläche des Substrats zu homogenisieren, wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Potential U_H variiert, um den Ort, an dem die umgelenkten Ionen auf dem Substrat auftreffen, zu ändern.
Nach dem zuvor Gesagten entfaltet das Verfahren besonders vorteilhafte Wirkungen im Zusammenhang mit einer Beschichtungsanlage gemäß der Erfindung, und/oder mit einer Beschichtungsanlage, die einen Substrathalter gemäß der Erfindung enthält. Dass es sich bei der Beschichtungsanlage um eine Anlage gemäß der Erfindung handelt, ist umgekehrt jedoch keine notwendige Bedingung dafür, dass eine Verbesserung erzielt wird. Es handelt sich also auch bei dem Verfahren um ein eigenständiges verkaufbares Produkt, das als Add-On einer bestehenden Beschichtungsanlage hinzufügbar ist. In diesem Add-On kann beispielsweise auch die Funktionalität des Reglers für die zweite Spannungsquelle verkörpert sein.
Das Verfahren kann insbesondere in einem Computerprogramm verkörpert sein. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer und/oder einem Steuergerät mit daran angeschlossener Beschichtungsanlage ausgeführt werden, die Beschichtungsanlage zu einer Beschichtungsanlage gemäß der Erfindung aufwerten, und/oder den Computer, das Steuergerät und/oder die Beschichtungsanlage dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
Die Erfindung kann besonders vorteilhaft zur Abscheidung von DLC-Verschleißschutzschichten verwendet werden und verbessert somit indirekt alle Komponenten der Einspritztechnik, die derartige DLC-Schichten verwenden. Des Weiteren kann die Erfindung auch bei allen niederdruckbasierten Plasmabeschichtungen eingesetzt werden, bei denen die Plasmaerzeugung einerseits und die Beschleunigung der Ionen durch eine Biasspannung andererseits voneinander entkoppelt sind. Dies gilt sowohl in In-Line-Anlagen als auch in der Batch-Fertigung. Beispiele für derartige Anwendungen sind das Magnetronsputtern, eine ECR-Quelle, ein Niedervoltbogen oder andere Ionenquellen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
1 Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanlage 100 gemäß der Erfindung;
2 Ausführungsbeispiel eines Substrathalters 1 gemäß der Erfindung;
3 Störeffekte im Stand der Technik, denen die Erfindung entgegenwirkt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanlage 100 in Aufsicht. Die Beschichtungsanlage 100 umfasst einen Vakuumrezipienten 110, in dessen Zentrum ein Plasma mit Plasmarandschicht 104a als Ionenquelle 104 angeordnet ist. Die zu beschichtenden Substrate 2a–2f sind über eine Ringleitung 111 elektrisch miteinander verbunden und werden von der ersten Spannungsquelle 106 mit einem Potential U_S beaufschlagt. Dieses Potential U_S wirkt anziehend auf die Ionen 101, 102 aus der Ionenquelle 104.
Zum Reinigen der Substrate 2a–2f wird die Ionenquelle 104 so eingestellt, dass sie nur Argon-Ionen 101 emittiert. Die Argon-Ionen 101 tragen Verunreinigungen von den Substraten 2a–2f ab. Anschließend wird die Ionenquelle 104 so eingestellt, dass sie auch Ionen 102 des eigentlichen Beschichtungsmaterials 103 emittiert. Das Beschichtungsmaterial 103 schlägt sich auf den Substraten 2a–2f nieder. Die Substrate 2a–2f werden mit Substrathaltern 1 im Vakuumrezipienten 110 gehalten. Die Substrathalter 1 sind in der in 1 gewählten Perspektive durch die Substrate 2a–2f verdeckt und daher nicht eingezeichnet.
Die Innenwand des Vakuumrezipienten 110 bildet eine Nebenfläche 105, auf die Ionen 101, 102, die die Substrate 2a–2f verfehlen, sich zu bewegen. Diese Nebenfläche 105 ist mit einer isolierenden Abdeckung 113 versehen, deren Dicke in 1 stark übertrieben eingezeichnet ist. Weiterhin wird die Nebenfläche 105 über die zweite Spannungsquelle 107 mit einem Potential U_H beaufschlagt. Dieses Potential U_H wird durch den Regler 108 kontinuierlich so nachgeführt, dass zum Einen das Potential U_S aus Sicht der Ionen 101, 102 immer tiefer liegt als das Potential U_H und dass zum Anderen das Potential U_H aus Sicht der Ionen 102, 102 immer abstoßend ist.
Die isolierende Abdeckung 113 und das Potential U_H haben zusammen die Wirkung, dass Ionen 101, 102, die die Substrate 2a–2f verfehlen, zumindest teilweise in Richtung auf die Substrate 2a–2f umgelenkt werden. Die Flugbahn, der die umgelenkten Ionen 101, 102 ohne die Umlenkung folgen würden, ist gestrichelt eingezeichnet.
Während der Reinigung der Substrate 2a–2f hat die Umlenkung zum einen die Wirkung, dass weniger Material von der Nebenfläche 105 abgetragen wird und sich auf den Substraten 2a–2f niederschlägt. Zum anderen wird jeweils die ganze Oberfläche des Substrats 2a–2f erreicht und nicht nur die Teilbereiche, die in direkter Sichtlinie zur Ionenquelle 104 liegen.
Während der eigentlichen Beschichtung hat die Umlenkung dementsprechend die Wirkung, dass sich das Beschichtungsmaterial 103 jeweils auf der kompletten Oberfläche des Substrats 2a–2f niederschlägt und keine Teilbereiche unbeschichtet bleiben. Derartige Fehlstellen könnten z.B. bei Verschleißschutzschichten zur Folge haben, dass dort ein erhöhter Verschleiß auftritt und das Bauteil frühzeitig versagt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Substrathalters 1 gemäß der Erfindung. Der Substrathalter 1 hat einen ersten Kontakt 3, über den das Substrat 2 mit einem Potential U_S beaufschlagbar ist. Zusätzlich weist seine elektrisch leitende Oberfläche 11 einen Ladebereich 12 auf, der mit einer isolierenden Abdeckung 13 versehen ist. Die komplette Oberfläche 11 des Substrathalters 1 ist weiterhin über einen zweiten Kontakt 4 mit dem Potential U_H beaufschlagbar und dient insoweit zugleich als Elektrodenbereich 14. Zur Verdeutlichung der Wirkung sind in 2 die Ionenquelle mit Plasmarandschicht 104a sowie die Flugbahnen der Ionen 101, 102 einschließlich ihrer Umlenkung in Richtung auf das Substrat 2 eingezeichnet. Das Substrat 2 ist über ein isolierendes Zwischenstück 15 am Substrathalter 1 gegen den Substrathalter 1 isoliert, damit das Potential U_S nicht gegen das Potential U_H kurzgeschlossen wird.
3 verdeutlicht die Störeffekte im Stand der Technik, denen die Erfindung entgegen wirkt.
3a zeigt die bisherige Situation bei der Reinigung des Substrats 2. Aus der Ionenquelle 1 werden Gasionen 101 in Richtung auf das Substrat 2, das sich auf dem Potential U_S befindet, beschleunigt. Da das Substrat 2 elektrisch leitend mit dem Substrathalter 1 verbunden ist, befindet sich auch der Substrathalter 1 auf dem Potential U_S und zieht die Gasionen 101 genauso stark an wie das Substrat 2. Im Ergebnis können durch die Gasionen 101 Fremdatome 16 aus dem Substrathalter 1 herausgeschlagen werden, die sich als Verunreinigungen 21 auf dem Substrat 2 niederschlagen. Weiterhin wird die der Ionenquelle 104 abgewandte Seite des Substrats 2 von den Gasionen 101 nicht erfasst. Dort von vornherein vorhandene Verunreinigungen 22 werden also durch die Reinigung des Substrats 2 nicht beseitigt und können das Aufbringen des Beschichtungsmaterials 103 stören.
3b zeigt die bisherige Situation bei der Herstellung der Beschichtung aus dem Beschichtungsmaterial 103 auf dem Substrat 2. Die Ionen 102 des Beschichtungsmaterials 103 können nur etwa die Hälfte der Oberfläche des Substrats 2 erreichen. Um das Substrat 2 komplett zu beschichten, muss es beispielsweise gedreht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19826259 A1 [0003]
JP 2001107729 A [0004]
JP 2000119849 A [0005]

Claims

Substrathalter (1) zum Einbau eines Substrats (2) in eine Beschichtungsanlage (100) dergestalt, dass eine Oberfläche (11) des Substrathalters (1) einer Ionenquelle (104) der Beschichtungsanlage (100) zugewandt ist, umfassend einen ersten Kontakt (3) für die Zuführung eines Potentials U_S zum Substrat (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladebereich (12) auf der Oberfläche (11) des Substrathalters (1) als durch von der Ionenquelle (104) der Beschichtungsanlage (100) eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13), und/oder dass ein zweiter Kontakt (4) vorgesehen ist, über den ein Elektrodenbereich (14) auf der Oberfläche (11) des Substrathalters (1) mit einem vom Potential U_S verschiedenen, frei wählbaren Potential U_H beaufschlagbar ist.
Beschichtungsanlage (100) mit mindestens einer Ionenquelle (104) und einer ersten Spannungsquelle (106), die mit dem zu beschichtenden Substrat (2) verbindbar ist, so dass Gasionen (101), und/oder Ionen (102) eines Beschichtungsmaterials (103), aus der Ionenquelle (104) durch ein von der ersten Spannungsquelle (106) am Substrat (2) angelegtes elektrisches Potential U_S in Richtung auf das Substrat (2) beschleunigt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nebenfläche (11, 105), auf die sich das Substrat (2) verfehlende Ionen (101, 102) zubewegen, als durch eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13, 113), und/oder dass mindestens eine zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, die mit der Nebenfläche (11, 105) verbindbar ist, so dass diese Nebenfläche (11, 105) mit einem vom Potential U_S verschiedenen, frei wählbaren Potential U_H beaufschlagbar ist.
Beschichtungsanlage (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler (108) für die zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, das Potential U_H einer Änderung des Potentials U_S dahingehend nachzuführen, dass das Potential U_S aus Sicht der Ionen (101, 102) energetisch tiefer liegt als das Potential U_H.
Beschichtungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler (108) für die zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, das Potential U_H einer Änderung von Eigenschaften des Ionenreservoirs (104), und/oder einer Änderung des Potentials U_S, dahingehend nachzuführen, dass das Potential U_H aus Sicht der Ionen (101, 102) abstoßend ist.
Beschichtungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrathalter (1) nach Anspruch 1 in die elektrische Verbindung zwischen der ersten Spannungsquelle (106) und dem Substrat (2), und/oder in die elektrische Verbindung zwischen der zweiten Spannungsquelle (107) und der Nebenfläche (11), geschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Beschichtungsanlage (100), in der Gasionen (101), und/oder Ionen (102) eines Beschichtungsmaterials (103), aus einem Ionenreservoir (104) durch Anlegen eines elektrischen Potentials U_S an einem Substrat (2) in Richtung auf das Substrat (2) beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nebenfläche (11, 105), auf die sich das Substrat (2) verfehlende Ionen (101, 102) zubewegen, mit einem vom Potential U_S verschiedenen Potential U_H beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Potential U_H gewählt wird, das auf die Ionen (101, 102) abstoßend wirkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von Potentialen U_S und U_H gewählt wird, die in Richtung der Nebenfläche (11, 105) fliegende Ionen (101, 102) auf das Substrat (2) hin umlenkt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential U_H variiert wird, um den Ort (21), an dem die umgelenkten Ionen (101, 102) auf dem Substrat (2) auftreffen, zu ändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, und/oder eine Beschichtungsanlage (100) mit einem Substrathalter (1) nach Anspruch 1, gewählt wird.
Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer und/oder einem Steuergerät mit daran angeschlossener Beschichtungsanlage (100) ausgeführt werden, die Beschichtungsanlage (100) zu einer Beschichtungsanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 aufwerten, und/oder den Computer, das Steuergerät und/oder die Beschichtungsanlage (100) dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10 auszuführen.