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Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsmaschine für leitfähige oder isolierende Substrate aus beliebigen Materialien, wie Silizium, Glas, Keramik usw. in einer Vakuumkammer durch Sputtern, oder andere Beschichtungsverfahren zum Herstellen von Schichten oder Schichtsystemen auf den Substraten.
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Aus der
DE 10 2004 036 170 A1 sind eine Vakuumbeschichtungsanlage und ein Verfahren zur Vakuumbeschichtung bekannt geworden, die eine Vakuumkammer in horizontaler Erstreckung umfasst, in der sich eine Transporteinrichtung zum Transport von Substraten befindet, wobei die Vakuumbeschichtungsanlage mindestens einen Beschichtungsbereich, oder zwei einander gegenüber befindliche Beschichtungsbereiche in horizontaler Anordnung für unterschiedliche Beschichtungsverfahren umfasst, zwischen denen sich die Transporteinrichtung für zu beschichtende Substrate befindet. Mit einer solchen Vorrichtung können insbesondere Multilayerschichten hergestellt werden.
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In den beiden Beschichtungsbereichen befinden sich einander gegenüberliegend eine Plasmaimpuls induzierte chemische Dampfphasenabscheidungseinrichtung (PICVD) und eine Sputterbeschichtungseinrichtung, wobei durch die dazwischen befindliche Transporteinrichtung zumindest teilweise eine elektromagnetische Abschirmung, oder eine Druckbarriere zwischen den unterschiedlichen Beschichtungseinrichtungen erreicht wird.
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Die Transporteinrichtung besitzt eine Würfelform auf deren Außenflächen vier Substrathalter zur Aufnahme von Substraten angeordnet sind, wobei die Transportvorrichtung um eine Hochachse rotierbar ist, die orthogonal zu den Substrathaltern und zu den Beschichtungseinrichtungen verläuft. Während der Beschichtung rotieren die Substrathalter mit den darauf befindlichen Substraten jeweils um eine eigene Drehachse (Subrotation), während die Transporteinrichtung um ihre Hochachse rotiert. Damit werden die Substrate beispielsweise während einer Beschichtung im Plasma, oder während des Sputterns, gleichzeitig um mehrere Achsen bewegt, um eine Ausmittlung von Inhomogenitäten und damit eine gleichmäßige Beschichtung zu erzielen.
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Darüber hinaus können auch mehrere derartige Transporteinrichtungen in Abständen zueinander entlang eines Transportweges, wie einer Kreisbahn oder einem Oval o.dgl., bewegt werden, so dass die darauf befestigten Substrate in einer gemeinsamen Vakuumkammer durch unterschiedliche Beschichtungseinrichtungen transportiert werden können, wobei die eingangs beschriebenen Bewegungsmöglichkeiten der Substrate ebenfalls beibehalten werden können.
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Um eine Be- und Entstückung der Transportvorrichtung mit Substraten zu ermöglichen, ist die Vakuumkammer an einer geeigneten Stelle mit einer Ladeeinrichtung versehen, die im einfachsten Fall als Ladetür ausgebildet sein kann.
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Bei einer derartigen Ladeeinrichtung ist es unumgänglich, dass die Vakuumkammer vor dem Be- oder Entstücken mit Substraten abgekühlt und belüftet wird, bzw. dass ein Gasaustausch durchgeführt wird, um ein ungefährliches Öffnen der Vakuumkammer zu ermöglichen, was zu einem Mehraufwand und zu Energieverlusten führt.
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Eine ähnliche Vorrichtung zur Herstellung von Multilayerschichten geht aus der
EP 2 036 998 A1 hervor, bei der auf einer tellerförmigen drehbaren und horizontal ausgerichteten Transportvorrichtung in einer Vakuumkammer am Umfang verteilt eine Vielzahl von Substraten angeordnet sind. In der Vakuumkammer befinden sich durch Blenden weitgehend voneinander abgetrennte Vorrichtungen zur Schichtabscheidung, wie eine Sputtereinrichtung im üblichen Sputter-Down-Verfahren, eine Plasmaquelle, eine Kathodenzerstäubungsquelle, oder Heizeinrichtungen sowie Einrichtungen zur Zuführung von Prozessgasen usw.
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Mit Hilfe der Transportvorrichtung werden die Substrate zu den bzw. durch die einzelnen Schichtabscheidungsvorrichtungen transportiert, wobei auch mehrfache Durchläufe möglich sind, um größere Schichtdicken realisieren zu können. Die Plasmaquelle dient hier zur Modifizierung der Struktur und/oder der Stöchiometrie der abgeschiedenen Schicht durch Plasmaeinwirkung.
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Die
EP 2 735 018 B1 zeigt weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von partikelarmen Schichten auf Substraten, wobei die Beschichtung der auf einem ebenfalls horizontal ausgerichteten Drehteller befindlichen Substrate in einer Vakuumkammer entgegen der Wirkung der Schwerkraft im sogenannten Sputter-Up-Verfahren erfolgt, indem die zum Beschichten vorgesehenen Partikel durch ein elektrisches Feld in Richtung zum Substrat beschleunigt werden. Der Abstand zwischen der zum Sputtern verwendeten Magnetron-Elektrode und dem Substrat sollte nicht zu groß sein und zwischen 2 und 10 cm liegen, um eine homogene Beschichtung zu erreichen. Der Vorteil des Sputter-up-Verfahrens besteht bekanntlich darin, dass in der Hauptsache die zum Beschichten vorgesehenen Partikel auf dem Substrat abgelagert werden und weniger Fremdpartikel, die schwerkraftbedingt nach unten absinken.
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Aus der
EP 0 563 609 B1 geht weiterhin eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas mittels Kathodenzerstäubung und Mikrowelleneinstrahlung hervor, bei dem das Sputtern in sogenannten Sputter-down Verfahren erfolgt. Hier werden die Partikel auf einem Substrat unter Einwirkung eines elektrischen Feldes und mit Schwerkraftunterstützung abgeschieden.
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Nach herkömmlicher Weise (Sputter-up; Sputter-down; oder auch Sputter-side) kann allerdings immer nur eine Variante in einer Vakuumkammer realisiert werden. Es besteht daher ein Bedarf an Beschichtungsanlagen, bei denen in der gleichen Vakuumkammer unterschiedliche Beschichtungsverfahren gleichzeitig, oder nacheinander, durchgeführt werden können.
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Weiterhin sind auch Co-Sputteranlagen, z.B. aus der
WO 2009/007448 A1 , bekannt geworden, bei denen mehrere Plasma-Beschichtungsquellen zum Einsatz kommen.
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Bei solchen Co-Sputteranlagen, die eine konfokale Quellenanordnung mit vier oder mehr Quellen nebeneinander aufweisen, sind die Quellen jeweils auf einen gemeinsamen Fokus auf dem zu beschichtenden Substrat justiert. Das bedeutet jedoch sofort auch, dass „mehrere Vakuumkammern“ oder mehrere Fokuspunkte erforderlich werden, um verschiedene Beschichtungsrichtungen zu ermöglichen. Dies wiederum bedeutet auch sofort, dass „mehrere Carrier oder Substratrotatoren (Rotationsstationen) erforderlich werden, was zu einem erhöhten finanziellen und technischen Aufwand führt.
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Co-Sputter Anlagen werden nach dem Stand der Technik durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
- In einer Vakuumkammer sind Sputterquellen entweder in „Sputter-up“, in „Sputter-down“ oder in Sputter-side“ Richtung ausgerichtet, so dass entweder Sputtern nach oben entgegen der Schwerkraft, oder Sputtern nach unten in Richtung der Schwerkraft, sowie Sputtern zur Seite durchgeführt werden kann, wobei die Sputterquellen einzeln oder in Gruppen ansteuerbar sind.
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Eine Vakuumkammer kann auch mit einer konfokal-Anordnung von typisch maximal bis zu sechs Sputterquellen ausgestattet sein, wobei dann mehr als sechs konfokal angeordnete Sputterquellen über mehrere Vakuumkammern verteilt werden, oder zumindest auf mehr als einen Fokus gerichtet werden müssen. Das bedeutet, dass mehrere Carrier/Substrat-Rotationsstationen nötig werden, was den technischen und wirtschaftlichen Aufwand deutlich erhöht.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine modulare und multifunktionale Beschichtungsmaschine für ebene leitfähige oder isolierende Einzelsubstrate aus beliebigen Materialien zu schaffen, bei der unterschiedliche Sputterverfahren in einer gemeinsamen Vakuumkammer mit geringst möglichem Aufwand durchgeführt werden können und die leicht umrüstbar und somit insbesondere auch für Laboranlagen, oder Kleinserienproduktion, geeignet ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Beschichtungsmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens ein um dessen eigene Achse rotierbarer Substrathalter oder Carrier an einer Schwenkvorrichtung angeordnet ist, die zusätzlich um eine Achse in einer vertikal ausgerichteten Schwenkebene bewegbar ist, wobei die Vakuumkammer mit mehreren Flanschen zur Aufnahme von austauschbaren Flanschdeckeln bzw. Türen ausgestattet ist, die in der Schwenkebene der Schwenkvorrichtung um diese herum in Winkelabständen zueinander positioniert sind, wobei die Schwenkvorrichtung mit mindestens einem Substrathalter ausgestattet ist, wobei die Flanschdeckel bzw. Türen mit Prozesseinheiten ausgestattet sind, die sich im geschlossenen Zustand der Flanschdeckel bzw. Türen auf der Vakuumseite befinden, und wobei die Flanschdeckel bzw. Türen zumindest oben und unten einander gegenüberliegend, sowie seitlich auf mindestens einer Seite der Vakuumkammer angeordnet sind, derart, dass jeder Substrathalter mit Hilfe der Schwenkvorrichtung vor jedem mit einer Prozesseinheit ausgestatteten Flanschdeckel in einer Beschichtungsposition positionierbar ist.
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In einer Fortbildung der Erfindung weist die Schwenkvorrichtung ein Paar von einander gegenüber liegenden rotierbaren Substrathaltern oder Carriern auf, derart, wobei jeweils ein Substrathalter oder ein Carrier mit Hilfe der Schwenkvorrichtung gegenüber einer Prozesseinheit eines Flanschdeckels, oder nacheinander vor unterschiedlichen Prozesseinheiten in den Beschichtungspositionen positionierbar sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Schwenkvorrichtung zwei paarweise einander gegenüberliegenden Substrathaltern oder Carriern auf, wobei sich die Achsen der paarweisen Substrathalter oder Carrier kreuzen, wodurch mehrere Substrate jeweils gleichzeitig gleichen oder unterschiedlichen Beschichtungsprozessen unterzogen werden können.
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Die Substrathalter können zusätzlich mit Heiz- oder Kühlvorrichtungen ausgestattet sein, und/oder die Substrathalter sind als Bias-Station mit eigener Spannungszuführung ausgebildet.
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In einer weiteren Fortbildung der Erfindung enthält jeder Flanschdeckel eine Prozesseinheit, wie einen Ätzer, oder eine Ringspaltionenquelle, oder eine oder mehrere Sputterquellen, Verdampfer, oder PECVD-Plasmaquellen.
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Weiterhin sind die Prozesseinheiten mit mehreren Sputterquellen jeweils als konfokale Sputterquellen ausgebildet.
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Um insbesondere bei konfokalen Sputterquellen eine besonders gleichmäßige Beschichtung zu erreichen, ist die Schwenkvorrichtung mit den rotierbaren Substrathaltern in der jeweiligen Beschichtungsposition um diese oszillierbar.
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Schließlich ist der in der Vakuumkammer unten befindliche Flanschdeckel mit einem Verdampfer anstelle einer Sputterquelle bzw. konfokalen Sputterquellen, ausgestattet.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtungsmaschine ist darin zu sehen, dass diese sowohl für den Laborbetrieb, als auch für eine Kleinserienproduktion geeignet ist und insbesondere, dass diese durch den modularen Aufbau jederzeit mit geringem Aufwand an aktuelle Beschichtungsaufgaben angepasst werden kann. Außerdem ist ein Beschichten nach unten, zur Seite und nach oben mit ein und derselben Beschichtungsmaschine möglich.
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Einzelheiten der Erfindung sind aus den zugehörigen Zeichnungsfiguren ersichtlich.
- 1: zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen modularen und multifunktionalen Beschichtungsmaschine; und
- 2: eine schematische Draufsicht auf die Beschichtungsmaschine nach 1.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsmaschine umfasst eine in einem Maschinengestell 14 befindliche Vakuumkammer 1 mit einer in dieser befindlichen Schwenkvorrichtung 2, die um eine horizontal verlaufende Achse 18 mit Hilfe eines außerhalb der Vakuumkammer 1 befindlichen Antriebes 16 in einer vertikalen Schwenkebene bewegbar ist. Das zugehörige Maschinengestell 14 steht auf einem geeigneten Fundament, oder unmittelbar auf dem Fußboden 15.
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Die Schwenkvorrichtung 2 umfasst weiterhin mindestens einen Substrathalter 3 für zu beschichtende Substrate 5, oder zwei diametral gegenüber liegende Substrathalter 3, 4 zur unmittelbaren Aufnahme von jeweils einem Substrat 5, oder eines Substrates 5, das sich in einem Carrier befindet (1). Gehalten werden die Substrate 5 oder die Carrier mit den darin befindlichen Substraten 5 am Substrathalter 3; 4 jeweils mittels einer Substrat- oder Carrierklemmung 6.
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Die Substrate 5 können sowohl eben, als auch gewölbt bzw. auch 3-dimensional mit beliebigem Umriss ausgebildet sein.
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Die Substrathalter 3, 4 oder Carrier sind um ihre eigenen Achsen rotierbar, so dass die darin geklemmten Substrate 5, bzw. die in den Carriern befindlichen Substrate 5 rotieren können. Darüber hinaus können die Substrathalter 3, 4 zusätzlich mit einer Heiz- oder Kühlvorrichtung, bzw. als Bias-Station mit eigener Spannungszuführung, ausgebildet sein.
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Selbstverständlich kann die Schwenkvorrichtung 2 anstelle mit zwei gegenüber liegenden Substrathaltern 3, 4 oder Carriern auch mit maximal vier Substrathaltern ausgestattet werden, wobei sich die Achsen der paarweisen Substrathalter 3, 4 oder Carrier kreuzen. Dadurch können mehrere Substrate jeweils gleichzeitig gleichen oder unterschiedlichen Beschichtungs- oder Bearbeitungsprozessen unterzogen werden.
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Das Besondere an der erfindungsgemäßen Beschichtungsmaschine ist, dass eine Mehrfachanordnung von gleichen oder unterschiedlichen Prozesseinheiten in der Vakuumkammer 1 rund um die Schwenkvorrichtung 2 vorgesehen ist.
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Weiterhin ist die Vakuumkammer 1 der Beschichtungsmaschine mit mehreren Flanschen zur Aufnahme von Flanschdeckeln bzw. Türen 7 ausgestattet, und zwar zeichnungsgemäß oben und unten gegenüberliegend, sowie seitlich auf mindestens einer Seite der Vakuumkammer 1, oder auf beiden Seiten, derart, dass die Flanschdeckel 7 sich in der vertikal ausgerichteten Schwenkebene der Schwenkvorrichtung 2 befinden. Die Schwenkvorrichtung kann um ca. 330° schwenkbar sein.
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Es versteht sich, dass anstelle von drei oder vier Flanschdeckeln auch fünf oder sechs Flanschdeckel in entsprechender Anordnung möglich sind, wobei dann eine entsprechende Anpassung der Schwenkvorrichtung 2 erforderlich werden kann.
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Damit ist es möglich, dass jeweils ein Substrathalter 3; 4 oder Carrier mit Hilfe der Schwenkvorrichtung 2 auf einen der Flanschdeckel 7 ausgerichtet bzw. gegenüber diesem positioniert werden kann, wobei jeder der Flanschdeckel 7 eine Prozesseinheit, wie einen Ätzer, eine Ringspaltionenquelle, eine oder mehrere Sputterquellen, , oder PECVD-Plasmaquellen enthalten kann, wobei mehrere Sputterquellen pro Prozesseinheit jeweils als konfokale Sputterquellen ausgebildet sein können.
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Der untere Flanschdeckel 7 kann auch einen Verdampfer enthalten.
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Zusätzlich kann auf der dem seitlichen Flanschdeckel 7 gegenüber liegenden Seite der Vakuumkammer 1 ein weiterer Flanschdeckel 8 ebenfalls mit einer Prozesseinheit, wie einem Ätzer, einer Ringspaltionenquelle, einer Sputterquelle, einer PECVD-Plasmaquelle oder mit entsprechender Messtechnik usw., vorgesehen sein. Damit kann die Vakuumkammer 1 je nach Bedarf mit gleichen oder unterschiedlichen Prozesseinheiten ausgestattet werden, wodurch ein schnelles Umrüsten gleichermaßen möglich ist.
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Werden beispielsweise drei oder vier Flanschdeckel 7 jeweils mit Sputterquellen ausgestattet, so lassen sich die drei bekannten Sputterverfahren „sputter-down“ in der Vakuumkammer 1 oben, „Sputter-up“ in der Vakuumkammer 1 unten und „Sputter-side“ in derselben Beschichtungsmaschine realisieren. Dazu sind die zu beschichtenden Substrate 5 lediglich jeweils vor den entsprechenden Sputterquellen zu positionieren.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, entweder ein Substrat 5, oder mehrere Substrate 5, d.h. zwei oder vier Substrate 5, je nach der Anzahl der Substrathalter/Carrier an der Schwenkvorrichtung 2 nacheinander vor den entsprechenden Flanschdeckeln 7 mit Prozesseinheiten zu positionieren, wobei gleichzeitig von der Schwenkvorrichtung 2 ein alternierendes Schwenken (Pendeln/Oszillieren um einen Nullpunkt), überlagert von einer Drehbewegung des Substrates auf dem Substrathalter 3, 4 ausgeführt werden kann. Auf diese Weise können Schichten auf den Substraten 5, z.B. während des Sputterns, insbesondere mit konfokalen Sputterquellen, mit besonders homogener Struktur und gleichmäßiger Schichtdicke hergestellt werden.
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Zusätzlich können weitere alternative austauschbare Flanschdeckel 9, 10 mit alternativen Prozesseinheiten, wie Verdampfern, oder PECVD-Plasmaquellen, bevorratet werden, was nach dem Belüften der Vakuumkammer 1 ein schnelles Umrüsten der Beschichtungseinrichtung ermöglicht. Dadurch ist die erfindungsgemäße Beschichtungseinrichtung insbesondere auch für den Laborbetrieb zur Erprobung von Sputterverfahren oder anderen Beschichtungsverfahren unter unterschiedlichen Prozessbedingungen, oder für Kleinserien, geeignet.
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Weiterhin ist die Vakuumkammer 1 auf einer Seite mit einer Transfer-Vakuumkammer 11 zum Ein- oder Ausschleusen von horizontal ausgerichteten Substraten 5 (1, rechts) sowie mit einer Vakuumpumpe 17 zur Herstellung des benötigten Vakuums versehen (2). Das Ein- oder Ausschleusen von Substraten 5 erfolgt immer dann, wenn sich einer der Substrathalter 3, 4 jeweils in der oberen Position gegenüber dem oberen Flanschdeckel 7 befindet, und zwar unabhängig davon, was für eine Prozesseinheit sich gerade an diesem Flanschdeckel befindet.
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Um ein unproblematisches Ein- und Ausschleusen von Substraten 5 durch die Transfer-Vakuumkammer 11 auch dann zu ermöglichen, wenn in der Vakuumkammer 1 ein Vakuum herrscht, befindet sich vor und hinter der Transfer-Vakuumkammer 11 jeweils ein Transferventil 13, wobei das zeichnungsgemäß rechte Transferventil 13 zugleich eine Verbindung zu einer Schleusenkammer 12 mit einem Carrier-/Substratmagazin herstellt. Das zeichnungsgemäß linke Transferventil 13 stellt die Verbindung zur Vakuumkammer 1 her.
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Anstelle der Schleusenkammer 12 mit dem Carrier-/ Substratmagazin kann auch eine Einzelcarrier/Substrat-Schleusenkammer oder eine Einzelcarrier-/Substratschleuse mit einem manuellen Schubstangentransfer o.dgl. für einzelne Carrier/Substrate 5 vorgesehen sein.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Beschichtungsmaschine sind gegenüber herkömmlichen Lösungen darin zu sehen, dass Sputter-up, Sputter-down und Sputter-side in einer Maschine gleichzeitig realisierbar sind, wobei sehr viele Sputterquellen bei Einsatz von nur einer Vakuumkammer 1 realisiert werden können (bis zu 9 oder 12 - 15) und dass ein unproblematisches Umrüsten auf andere Prozesse oder Beschichtungsverfahren mit geringem Aufwand möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsmaschine ermöglicht eine sehr modulare Gestaltung, weil die Flanschdeckel 7 bzw. die Prozesseinheiten austauschbar sind, indem z.B. Co-Sputterdeckel gegen Parallelquellendeckel für statische Beschichtungen getauscht werden können. Wobei besonders hervorzuheben ist, dass unterschiedliche Verfahren, wie Sputtern/Verdampfen/PECVD, problemlos in der gleichen Beschichtungsmaschine miteinander kombiniert werden können.
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Die Konstruktion der Beschichtungsmaschine erlaubt auch eine gute Zugänglichkeit für Wartung und Targetwechsel, da hierzu die Vakuumkammer 1 lediglich zu belüften ist und der entsprechende Flanschdeckel 7 geöffnet werden muss.
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Darüber hinaus kann die Vakuumkammer 1 mit einer Schubstangen-Schleuse, oder einer Transferkammer mit Magazinschleuse ausgestattet werden.
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Insgesamt handelt es sich um ein äußerst flexibel einsetzbares und kompaktes und Platz sparendes System, bei dem eine Minimalausstattung preiswert realisierbar ist und wobei eine Vollausstattung deutlich preiswerter gegenüber einem größeren Mehrkammersystem ist.
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Schließlich sind der Einbau und die Verwendung einer linearen (rechteckigen) Reinigungs-Ionenquelle möglich, wobei die Carrier-Rotationsstation dabei oszillieren kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumkammer
- 2
- Schwenkvorrichtung
- 3
- Substrathalter
- 4
- Substrathalter
- 5
- Substrat mit oder ohne Carrier
- 6
- Substrat- oder Carrierklemmung
- 7
- Flanschdeckel/Tür mit Prozesseinheit
- 8
- Flanschdeckel/Tür mit Prozesseinheit
- 9
- alternativer, austauschbarer Flanschdeckel mit alternativer Prozesseinheit
- 10
- alternativer, austauschbarer Flanschdeckel mit alternativer Prozesseinheit
- 11
- Transfer-Vakuumkammer
- 12
- Schleusenkammer mit Substrat-/Carriermagazin
- 13
- Transferventil
- 14
- Maschinengestell
- 15
- Fußboden
- 16
- Antrieb für Schwenkvorrichtung
- 17
- Vakuumpumpe
- 18
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004036170 A1 [0002]
- EP 2036998 A1 [0008]
- EP 2735018 B1 [0010]
- EP 0563609 B1 [0011]
- WO 2009/007448 A1 [0013]
