DE102018114819A1

DE102018114819A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Substrats und Beschichtungsanlage

Info

Publication number: DE102018114819A1
Application number: DE102018114819.4A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: DE102018114819B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines beliebigen Substrates (1) mittels Zerstäubens, die sog. Sputterbeschichtung, sowie eine Beschichtungsanlage zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß wird ein bandförmiges Target (2) verwendet, das während des Beschichtungsvorganges kontinuierlich durch die Zerstäubungszone (3) geführt wird. Das Verfahren eignet sich besonders für die Beschichtung mit schlecht wärmeleitfähigen Materialien, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines beliebigen Substrates mittels Kathodenzerstäubung, d. h. zur Sputterbeschichtung, sowie eine Beschichtungsanlage zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren eignet sich besonders für die Beschichtung mit schlecht wärmeleitfähigen Materialien, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), das auch unter der Bezeichnung Teflon bekannt ist.
Beschichtungsverfahren durch Zerstäuben, d. h. Sputterbeschichtung (in der Fachsprache auch Sputterdeposition oder Sputtern genannt), sind allgemein bekannt. Hierbei werden aus einem Festkörper, dem sog. Target, durch Beschuss mit energiereichen Ionen eines Arbeitsgases (z. B. Edelgasionen) Atome herausgelöst, die sich anschließend auf einem Substrat niederschlagen, wodurch auf dem Substrat eine feste Schicht des Targetmaterials gebildet wird. Eine Variante der Sputterbeschichtung ist die Magnetronzerstäubung (Magnetronsputtern), bei welcher zusätzlich unter dem Target ein Magnetsystem angebracht ist. Anders als beispielsweise beim thermischen Verdampfen tritt bei der Sputterbeschichtung keine Entmischung von Legierungen auf.
Während des Zerstäubens wird das Target stark erwärmt, weswegen in der Regel das Target gekühlt wird. Hierfür kann das Target auf eine Kühlplatte aufgebracht sein.
Ein als Hohlzylinder ausgebildetes, um seine Längsachse rotierbares Target ist in GB 2501345 A gezeigt. Innerhalb des Hohlzylinders befindet sich eine kühlbare Magnetanordnung. Durch Rotation des Targets während der Beschichtung ist der Wärmeeintrag, d. h. die thermische Belastung, nicht auf eine kleine Fläche beschränkt.
Mit den bekannten Verfahren zur Zerstäubungsbeschichtung lassen sich jedoch überwiegend nur gut wärmeleitfähige Targets bzw. solche, die hohen Temperaturen widerstehen können, einsetzen. Polytetrafluorethylen (PTFE), zum Beispiel, kann bis zu 160°C problemlos erwärmt werden, wird bei 350°C allerdings zersetzt. Eine Beschichtung mit wärmeempfindlichen Materialien ist bislang nur in speziell ausgebildeten Anlagen und mit erhöhtem Zeitaufwand möglich.
Das reaktive Sputtern, beispielsweise, erlaubt auch die Beschichtung mit nichtmetallischen Werkstoffen. Hierbei wird dem inerten Arbeitsgas ein reaktives Arbeitsgas zugemischt, welches mit den aus dem Target herausgeschlagenen Atomen auf dem Substrat zu einer neuen Verbindung reagiert. Es wird hauptsächlich eingesetzt, um Oxide, Nitride und Oxinitride etc. abzuscheiden.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Sputterbeschichtungsverfahren ist die Verunreinigung des Targets durch Material des zu beschichtenden Substrats (aufgrund rückgesputterter Substratatome) oder durch Ionen des Arbeitsgases, sodass die Zusammensetzung der auf das Substrat aufgebrachten Schicht mit der Schichtdicke variieren kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage zur Beschichtung eines Substrats bereitzustellen, die es ermöglichen, auch wärmeempfindliche Werkstoffe, insbesondere PTFE, mittels Zerstäubens, d. h. Sputterbeschichtung, auf ein Substrat aufzubringen, wobei eine Verunreinigung des Targets, z. B. durch zerstäubtes Material des Substrats, sowie ein erhöhter Zeitaufwand vermieden werden sollen.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie der Beschichtungsanlage nach Anspruch 7 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 und 8 bis 10 beschrieben.
Nach Maßgabe der Erfindung wird das Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mittels Zerstäubens eines Beschichtungsmaterials durchgeführt, indem als Target ein flexibles Band des Beschichtungsmaterials, d. h. ein bandförmiges Target, verwendet wird.
Das bandförmige Target, d. h. das flexible Band des Beschichtungsmaterials, wird auf einer Bereitstellungs-Rolle vorgehalten, von wo es abgerollt und zu einer Zerstäubungszone geführt wird.
Unter dem Begriff „Zerstäubungszone“ wird im Folgenden derjenige Bereich in einer Beschichtungsanlage verstanden, in welchem das Target durch z. B. Ionenbeschuss zerstäubt wird und sich somit die Targetatome bzw. -moleküle (z.B. zum Substrat) bewegen. In der Zerstäubungszone kann sich auch - je nach Variante der Sputterbeschichtung - ein Plasma ausbilden.
Erfindungsgemäß wird das bandförmige Target während der Beschichtung kontinuierlich, d. h. fortwährend, mit einer vorgegebenen, vorzugsweise konstanten, Vorschubgeschwindigkeit durch die Zerstäubungszone geführt. Aufgrund dieser relativen Bewegung des Targets in Bezug zur Zerstäubungszone während der Beschichtung ist sichergestellt, dass die Zerstäubungszone entlang der Oberfläche des Targets wandert, sodass eine lokale Überhitzung des Targets zuverlässig verhindert wird.
Das durch die Zerstäubungszone geführte flexible Targetband kann hinter derselben wieder auf einer Rolle oder Spindel, im Folgenden als „Sammelspindel“ bezeichnet, aufgewickelt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass diejenigen Bereiche des Targets, die in der Zerstäubungszone von z. B. dem Arbeitsgas oder von vom zu beschichtenden Substrat zurückgesputtertem Substratmaterial kontaminiert werden, nie lange in der Zerstäubungszone verweilen. Stattdessen wird neues, hochreines Beschichtungsmaterial in die Zerstäubungszone eingeführt, sodass die Zusammensetzung der auf das Substrat aufgebrachten Schicht über die Schichtdicke weitestgehend gleichbleibend ist.
Aufgrund der - im Vergleich zu den bekannten Sputterverfahren - geringen Temperaturbelastung des Targets kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise zur Beschichtung mit Materialien verwendet werden, die bei höheren Temperaturen zerfallen oder thermo-chemisch zersetzt werden. Somit ist beispielsweise eine Beschichtung mit PTFE ermöglicht.
Optional kann das flexible Band des Beschichtungsmaterials über eine in der Zerstäubungszone angeordnete, gekühlte zylinderförmige Elektrode geführt werden. Dies dient zur Abfuhr von in das Target eingebrachter Wärme, wobei diese Wärmedissipation durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials eingeschränkt sein kann.
Weiterhin kann das bandförmige Target mittels wenigstens einer Zugeinrichtung gespannt werden, sodass es straff, d. h. unter Vermeidung von Faltenbildung, und mit gleichmäßiger Vorschubgeschwindigkeit durch die Zerstäubungszone läuft.
Zur ökonomischeren Ausnutzung des Targetbandes kann vorgesehen sein, das Target mehrfach durch die Zerstäubungszone oder durch mehrere, hintereinander angeordnete Zerstäubungszonen zu führen, wobei nach jedem Durchgang durch die bzw. eine Zerstäubungszone dem Targetband eine vorgegebene Zeitspanne zur Abkühlung gegeben wird.
Hierbei kann auch eine aktive Kühlung des Targetbandes mittels einer Kühlvorrichtung vorgesehen sein, z. B. indem das Band nach einem Durchgang durch die Zerstäubungszone über gekühlte Umlenkrollen zu einem weiteren Durchgang durch die Zerstäubungszone geführt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann zudem die Sammelspindel, d. h. die Rolle bzw. Spindel, auf welche das bandförmige Target nach der Sputterbeschichtung aufgerollt wird, gekühlt sein, wobei nach einem ersten Durchlauf des Bandes zur Beschichtung des Substrates die Richtung der Vorschubgeschwindigkeit umgekehrt wird, d. h. die Sammelspindel wird zur Bereitstellungs-Rolle und die ursprünglich als Bereitstellungs-Rolle fungierende Spindel wird zur Sammelspindel.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung eines Substrates mittels Zerstäubens wird unter Wenden des Targetbandes, vorzugsweise zwischen jeden Durchläufen durch die bzw. eine Zerstäubungszone, durchgeführt. Dies kann durch eine geeignete Anordnung von Umlenkrollen erfolgen, sodass sowohl Vorder- als auch Rückseite des Targetbandes für die Beschichtung verwendet werden. Optional können die Umlenkrollen gekühlt sein.
Die Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines Substrates mittels Zerstäubens eines Beschichtungsmaterials, welches in einer Zerstäubungszone durch lonenbeschuss aus einem Target herausgelöst wird, umfasst in grundsätzlich bekannter Weise eine im Bereich der Zerstäubungszone angeordnete zylinderförmige Elektrode, die feststehend oder um ihre Längsachse rotierbar sein kann. Diese zylinderförmige Elektrode kann in ihrem Inneren Magneten aufweisen, sodass das sog. Magnetronsputtern durchführbar ist.
Eine im Betrieb der Beschichtungsanlage rotierende zylinderförmige Elektrode besitzt bevorzugt eine weitestgehend rotationssymmetrisch ausgebildete Zylinder-Grundfläche, während die geometrische Form der Zylinder-Grundfläche einer feststehenden Elektrode beliebig ausgebildet sein kann.
Die Beschichtungsanlage weist zudem eine erste Halterung zur Halterung einer Bereitstellungs-Rolle, d. h. einer Rolle, Spindel oder Walze mit einem darauf aufgewickelten, flexiblen, bandförmigen Target, eine zweite Halterung zur Halterung einer Sammelspindel, d. h. einer Rolle, Spindel oder Walze zum Aufwickeln des bandförmigen Targets nach Durchgang durch die Zerstäubungszone, und eine Antriebseinheit zur Bewegung des bandförmigen Targets mit einer vorgegebenen, bevorzugt konstanten, Vorschubgeschwindigkeit durch die Zerstäubungszone auf.
Die Antriebseinheit kann mit der Sammelspindel oder der zylinderförmigen Elektrode verbindbar bzw. verbunden sein, sie kann aber auch separate Antriebswalzen, die z. B. das bandförmige Target kontaktieren und somit bewegen, aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Beschichtungsanlage umfasst diese wenigstens zwei, vorzugsweise parallel zueinander, jeweils im Bereich einer Zerstäubungszone angeordnete zylinderförmige Elektroden. Hierbei kann jede der zylinderförmigen Elektroden einer eigenen Zerstäubungszone zugewiesen sein, sie können aber auch im Bereich ein und derselben, räumlich ausgedehnten Zerstäubungszone positioniert sein. Zusätzlich weist die Beschichtungsanlage gekühlte Umlenkeinrichtungen auf, die - im bestimmungsgemäßen Betrieb der Beschichtungsanlage - das Targetband kontaktierend in Bezug zum Verlauf desselben zwischen den zylinderförmigen Elektroden angeordnet sind.
Diese Ausgestaltung der Beschichtungsanlage kann in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, um das bandförmige Target mehrfach durch eine bzw. die Zerstäubungszone zu führen, wobei es zuvor jeweils abgekühlt wird, um das zur Verfügung stehende Material des Targets optimal auszunutzen und so Materialverschwendung durch ungenutztes Targetmaterial zu vermeiden.
Die Beschichtungsanlage kann weiter derart ausgebildet sein, dass sie eine oder mehrere Zugeinrichtungen zum Spannen des bandförmigen Targets aufweist. Beispielsweise kann in Bewegungsrichtung des bandförmigen Targets hinter der ersten Halterung und vor der zweiten Halterung jeweils eine separate Zugeinrichtung zum Spannen des bandförmigen Targets angeordnet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Beschichtungsanlage eine erste und eine zweite zylinderförmige Elektrode aufweist, die parallel zueinander beabstandet in der Zerstäubungszone angeordnet sind, wobei in Bewegungsrichtung des bandförmigen Targets zwischen den beiden zylinderförmigen Elektroden wenigstens eine, vorzugsweise aktiv gekühlte, Umlenkeinrichtung angeordnet ist, mittels derer das bandförmige Target derart führbar ist, dass die die erste zylinderförmige Elektrode kontaktierende Unterseite des Targets an der zweiten zylinderförmigen Elektrode in Richtung zu der Zerstäubungszone weist, d. h. an der ersten zylinderförmigen Elektrode die Oberseite des Targets und an der zweiten zylinderförmige Elektrode die Unterseite des Targetbandes, das durch die Umlenkeinrichtung gewendet wird, zerstäubt wird. Hierdurch wird das bandförmige Target beidseitig verwendet.
Ferner weist die Beschichtungsanlage eine evakuierbare Prozesskammer auf, in welcher die Beschichtung durchgeführt wird. Hierbei können die Bereitstellungs-Rolle und die Sammelspindel außerhalb der Prozesskammer, beispielsweise innerhalb einer die Prozesskammer kontaktierenden Vakuumkammer angeordnet sein, wobei das bandförmige Target durch jeweils eine vakuumdicht verschließbare Durchführung von der Bereitstellungs-Rolle in der Vakuumkammer in die Prozesskammer und von der Prozesskammer in die Vakuumkammer zur Sammelspindel führbar ist. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass beim Tausch des Targetbandes die Prozesskammer die ganze Zeit unter Vakuum bleiben kann, sodass der zeitaufwendige Schritt des Evakuierens der Prozesskammer nach einem Targetwechsel entfallen kann. Gegebenenfalls muss nur noch die deutlich kleinere Vakuumkammer nach einem Targetwechsel evakuiert werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in stark schematisierter Darstellung

1 Details einer ersten Ausführung der Beschichtungsanlage;
2 Details einer zweiten Ausführung der Beschichtungsanlage; und
3 Details einer dritten Ausführung der Beschichtungsanlage.

Die Ausführung der Beschichtungsanlage nach der 1 umfasst die Bereitstellungs-Rolle 4, auf welcher das bandförmige Target 2 aufgerollt ist. Von dort wird das Target 2 zu der zylinderförmigen Elektrode 5 geführt, in deren oberem Bereich die Zerstäubungszone 3 ausgebildet ist. In dieser Zerstäubungszone 3 wird das Target 2 zerstäubt, wobei die Moleküle 6 des Targetmaterials zu dem Substrat 1 fliegen und sich dort als Schicht 7 niederschlagen.
Das bandförmige Target 2 wird nach seinem Durchgang durch die Zerstäubungszone 3 auf der Sammelspindel 8 aufgewickelt.
Die in der 2 dargestellte zweite Ausführung der Beschichtungsanlage weist zwei zylinderförmige Elektroden 5 und zwei Zerstäubungszonen 3 auf. Das bandförmige Target 2, hier ein Teflonband, wird nach Durchgang durch die erste Zerstäubungszone 3 (in der Figur links) über die gekühlte Umlenkeinrichtung 10 zu der zweiten Elektrode 5 bzw. der zweiten Zerstäubungszone 3 (in der Figur rechts) geführt. Somit wird das Targetband 2 zweimal zerstäubt, wobei es zwischen den beiden Zerstäubungsvorgängen von der Umlenkeinrichtung 10 gekühlt wird.
Die Zugeinrichtungen 9, die in Bewegungsrichtung des Targetbandes 2 jeweils nach der Bereitstellungs-Rolle 4 und vor der Sammelspindel 8 angeordnet sind, erzeugen die für den reibungslosen Bandtransport notwendige Zugspannung auf dem Targetband 2.
Die Darstellung gemäß der 3 zeigt beispielhaft eine weitere Ausgestaltung der Beschichtungsanlage. Hier wird das bandförmige Target 2 nach Verlassen des an der ersten Elektrode 5.1 ausgebildeten Bereichs der Zerstäubungszone 3 über die gekühlten Umlenkeinrichtungen 10.1 und 10.2 derart geführt, dass an der zweiten Elektrode 5.2 diejenige Seite des Targetbandes 2 zerstäubt wird, die an der ersten Elektrode 5.1 noch dieselbe kontaktierte, d. h. das Targetband 2 wird einmal auf seiner Vorderseite und einmal auf seiner Rückseite zerstäubt.
Gemäß dieses Beispiels ist die Zugeinrichtung 9 in die erste Umlenkeinrichtung 10.1 integriert, d. h. das Targetband 2 wird mittels der ersten Umlenkeinrichtung 10.1 auch gespannt.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Target
3: Zerstäubungszone
4: Bereitstellungs-Rolle
5: zylinderförmige Elektrode
5.1: erste zylinderförmige Elektrode
5.2: zweite zylinderförmige Elektrode
6: Targetmaterialmolekül
7: Schicht
8: Sammelspindel
9: Zugeinrichtung
10: Umlenkeinrichtung
10.1: erste Umlenkeinrichtung
10.2: zweite Umlenkeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2501345 A [0004]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mittels Zerstäubens eines Beschichtungsmaterials, welches in einer Zerstäubungszone (3) durch Ionenbeschuss aus einem Target (2) herausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Bereitstellungs-Rolle (4) abzuwickelndes, flexibles Band des Beschichtungsmaterials als Target (2) verwendet wird, das während der Beschichtung fortwährend durch die Zerstäubungszone (3) bewegt wird.
Verfahren zur Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band des Beschichtungsmaterials über eine in der Zerstäubungszone (3) angeordnete, gekühlte, zylinderförmige Elektrode (5) geführt wird.
Verfahren zur Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band des Beschichtungsmaterials mittels wenigstens einer Zugeinrichtung (9) gespannt wird.
Verfahren zur Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band des Beschichtungsmaterials mehrfach durch die Zerstäubungszone (3) oder durch wenigstens zwei, nebeneinander angeordnete Zerstäubungszonen (3) geführt wird.
Verfahren zur Beschichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band des Beschichtungsmaterials durch wenigstens zwei, nebeneinander angeordnete Zerstäubungszonen (3) geführt wird, wobei es jeweils nach Durchlaufen einer Zerstäubungszone (3) gewendet wird.
Verfahren zur Beschichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band des Beschichtungsmaterials vor und/oder nach Durchlaufen einer Zerstäubungszone (3) über eine Kühlvorrichtung geführt wird.
Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines Substrates mittels Zerstäubens eines Beschichtungsmaterials, welches in einer Zerstäubungszone (3) durch lonenbeschuss aus einem Target (2) herausgelöst wird, aufweisend wenigstens eine im Bereich der Zerstäubungszone (3) angeordnete zylinderförmige Elektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsanlage ferner eine erste Halterung zur Halterung einer Bereitstellungs-Rolle (4) mit einem darauf aufgewickelten, flexiblen, bandförmigen Target (2), eine zweite Halterung zur Halterung einer Sammelspindel (8) zum Aufwickeln des bandförmigen Targets (2) nach Durchgang durch die Zerstäubungszone (3), und eine Antriebseinheit zur Bewegung des bandförmigen Targets (2) mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit durch die Zerstäubungszone (3) aufweist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere, jeweils im Bereich einer Zerstäubungszone (3) sowie parallel zueinander angeordnete zylinderförmige Elektroden (5) und zwischen den zylinderförmigen Elektroden (5) angeordnete, gekühlte Umlenkeinrichtungen (10) aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Bewegungsrichtung des bandförmigen Targets (2) hinter der ersten Halterung und vor der zweiten Halterung jeweils eine Zugeinrichtung (9) zum Spannen des bandförmigen Targets (2) aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste (5.1) und eine zweite (5.2) zylinderförmige Elektrode aufweist, die parallel zueinander beabstandet in der Zerstäubungszone (3) angeordnet sind, wobei in Bewegungsrichtung des bandförmigen Targets (2) zwischen den beiden zylinderförmigen Elektroden (5.1, 5.2) zwei gekühlte Umlenkeinrichtungen (10.1, 10.2) angeordnet sind, mittels derer das bandförmige Target (2) derart führbar ist, dass die die erste zylinderförmige Elektrode (5.1) kontaktierende Unterseite des Targets (2) an der zweiten zylinderförmige Elektrode (5.2) in Richtung zu der Zerstäubungszone (3) weist.