DE102022125955A1

DE102022125955A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Beschichtung mindestens eines Substrats

Info

Publication number: DE102022125955A1
Application number: DE102022125955.2A
Authority: DE
Inventors: Clemens Ringpfeil
Original assignee: Schneider GmbH and Co KG
Current assignee: Schneider GmbH and Co KG
Priority date: 2021-10-11
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2023-04-13
Also published as: DE202022105657U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Beschichtung mindestens eines Substrats (15), mit einer Beschichtungskammer (11) zur Aufnahme des Substrats (15), wofür die Beschichtungskammer (11) mindestens eine Auflagefläche (11a) aufweist, wobei die Auflagefläche (11 a) mit einem als Beschichtungsmaterial dienenden Targetmaterial (14) beschichtet ist, mit mindestens einer Energiequelle (12) zur Erzeugung eines Plasmas (13) innerhalb der Beschichtungskammer (11), und wobei die Beschichtungskammer (11) als Targetkathode (20) ausgebildet ist und eine Anode (21) in der Beschichtungskammer (11) eingebracht ist, sodass die Energiequelle (12) in Form einer Gleichstrom-Magnetronanordnung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung mindestens eines Substrates, mit einer Beschichtungskammer zur Aufnahme des Substrats, wofür die Beschichtungskammer mindestens eine Auflagefläche aufweist, wobei die Auflagefläche mit einem als Beschichtungsmaterial dienenden Targetmaterial beschichtet ist, und über mindestens eine Energiequelle zur Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Beschichtungskammer verfügt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Beschichtung mindestens eines Substrats.
Eine wesentliche Anforderung an die Beschichtung mindestens eines Substrats ist es, eine Beschichtung mit gleichmäßiger Schichtdicke zu erzeugen, die möglichst dünn, aber dennoch dicht ist. Dabei bereiten insbesondere komplexe Oberflächen und Strukturen mit hohem Seitenverhältnis Schwierigkeiten.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren sind bspw. aus der DE 196 09 804 C1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur PVD-Beschichtung von Schüttgut. Hierbei ist eine rotierbare Beschichtungskammer vorgesehen, in welche mindestens eine Magnetronanordnung zur Ausbildung eines Kathodenplasmas aufgenommen ist. Während des Beschichtungsvorgangs wird das Schüttgut durch Drehen der Beschichtungskammer umgewälzt. Die Beschichtungskammer und somit das Schüttgut können durch eine von der Sputterstromversorgung unabhängige Spannungsversorgung auf ein beliebiges positives oder negatives Potential gegenüber der Sputterstromversorgung eingestellt werden (so genannter Bias). Dies dient der Einstellung zusätzlicher Beschichtungsparameter. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Beschichtungsrate aus. Der Aufbau der Vorrichtung ist jedoch vergleichsweise komplex. Außerdem wird auch die Innenwand der Beschichtungskammer mit dem Targetmaterial beschichtet. Dies führt zu einem erheblichen Verlust an Targetmaterial. Die beschriebene Vorrichtung muss daher außerdem auch regelmäßig gereinigt werden.
Die US 6,060,129 A beschreibt eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Beschichtung von Schüttgut mit einem Kunststoff, vorzugsweise PTFE (Polytetrafluorethylen, Teflon®). In einer rotierbaren Beschichtungskammer wird das Targetmaterial entweder zusammen mit dem Schüttgut ebenfalls in Schüttgutform vorgehalten oder als Targetmaterialschicht fest mit der Innenwand der Beschichtungskammer verbunden. In die Beschichtungskammer wird ein Hochfrequenz-, Niederfrequenz- oder Mikrowellenplasma kapazitiv oder induktiv eingekoppelt. Hierdurch wird mittels eines in der Beschichtungskammer aufgenommenen Arbeitsgases ein diffuses Plasma erzeugt und aufrechterhalten. Die Beschichtungsrate ist verfahrensbedingt eher gering. Zudem ist die Energiequelle als RF-Generator bzw. HF-Generator ausgebildet und in Form einer Spule um die Beschichtungskammer ausgebildet, sodass nur Targetmaterialien zum Einsatz kommen können, die nicht elektrisch leitend sind, sodass die meisten metallischen Targetmaterialien mit dieser Anordnung nicht auf Substrate abscheidbar sind. Da die Energiequelle als Radiofrequenzgenerator und damit als Hochfrequenzgenerator ausgebildet ist, schlägt sich das Targetmaterial auf beiden Elektroden der Energiequelle nieder, was zu Verlusten an Targetmaterial führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass die oben genannten Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll bei möglichst einfachem Aufbau der Vorrichtung eine zumindest zufriedenstellende Beschichtungsrate erzielt werden und es soll erreicht werden, dass möglichst kein Verlust an Targetmaterial auftritt, was insbesondere bei sehr seltenen und insbesondere hochwertigen Targetmaterialien von besonderem Vorteil ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wonach die Beschichtungskammer als Targetkathode ausgebildet ist und eine Anode in der Beschichtungskammer eingebracht ist, und wobei damit die Energiequelle in Form einer Gleichstrom-Magnetronanordnung ausgebildet ist.
Ausgehend davon, dass die Beschichtungskammer mindestens eine Auflagefläche für das mindestens eine Substrat aufweist, dass die Beschichtungskammer zumindest im Bereich ihrer Auflagefläche mit dem Targetmaterial beschichtet ist, dass die Beschichtungskammer als Targetkathode ausgebildet ist, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass sich durch die DC- Magnetronanordnung (DC = Direct Current) das Targetmaterial von der Targetkathode löst und neben der Beschichtung des wenigstens einen Substrates zugleich auch wieder auf der Targetkathode niederschlagen kann.
So kommt es zu keinen Verlusten des Targetmaterials bei der Anwendung des Prozesses, da kein Wechselstrom zwischen zwei Elektroden verwendet wird und durch die Schaffung einer Kathode mittels des Targets selbst bzw. der Beschichtungskammer, auf dessen Auflagefläche das Targetmaterial aufgebracht ist, sich das Targetmaterial auch wieder niederschlagen kann. Da das Substrat auf dem Targetmaterial aufliegt, folglich also auf der Innenseite der Beschichtungskammer, schlägt sich das Target auch und vor allem auf dem Substrat nieder, aber Targetmaterial, welches sich nicht auf dem Substrat niedergeschlagen hat, wird an die Innenwand zurückgeführt und geht insofern nicht verloren. In der Beschichtungskammer ist eine in diese eingebrachte Anode vorgesehen.
DC- oder Gleichstrom-Sputtern ist ein physikalischer Beschichtungsprozess, der in einem Vakuum unter Verwendung eines Arbeitsgases, meist Argon, durchgeführt wird. Beim Sputtern werden bei der Verwendung von Argon entsprechend Argonionen durch ein elektrisches Feld zur elektrisch leitenden Targetoberfläche beschleunigt. Dort aufgetroffen werden durch eine Stoßkaskade neutrale Target-Atome oder Verbände von Targetatomen mehr oder minder senkrecht aus der Oberfläche herausgeschlagen, die dann dort anhaften, wo sie als erstes auftreffen. Das Targetmaterial dient somit als Spendermaterial zur Beschichtung der Substrate.
Die bevorzugte Region der auftreffenden Argonionen auf dem Target kann durch Magnete festgelegt werden, die im vorliegenden Fall außerhalb der Beschichtungskammer angeordnet sind, insbesondere angrenzend an die äußere Wandung der Beschichtungskammer. Ohne Magnete wird das gesamte Target bombardiert, verlangt aber dann eine höhere Spannung von vielen 100V bis einigen 1000V. Das Target ist die Kathode und gegenüber der Anode mit einer Spannung von einigen 100V negativ gepolt. Die Anode ist daher separat in die Beschichtungskammer geführt.
Dadurch, dass das wenigstens eine Substrat oder eine Vielzahl von Substraten, die beispielsweise ein Schüttgut bilden können, auf der Targetkathode, also auf der Innenseite der Beschichtungskammer, aufliegt bzw. aufliegen, nimmt das Substrat das gleiche elektrische Potential an wie die Targetelektrode und insofern wie die Kathode. Es kann das Substrat beschichtet werden, ohne dass der Beschichtungsprozess Verluste an Targetmaterial verursacht, da der Anteil des Targetmaterials, das sich nicht auf dem Substrat niederschlägt, wieder zu seinem Herkunftsort zurück begibt, der durch die Auflagefläche innen in der Beschichtungskammer gebildet ist.
Insbesondere können dadurch, dass es hinreichend ist, wenn das Substrat auf der Auflagefläche aufliegt, auch Schüttgüter beschichtet werden, wenn die vorzugsweise als Röhre ausgebildete Beschichtungskammer in Rotation versetzt wird, da auch ein als Schüttgut in der Röhre bewegtes Substrat das gleiche elektrische Potential annimmt wie die Targetkathode. Die Beschichtungskammer kann insbesondere unabhängig von der außenseitigen Anordnung von Magneten oder des Magnetrons in Rotation versetzt werden. Im Ergebnis ergibt sich, dass das Substrat auf das gleiche elektrische Potential gesetzt wird wie die Targetkathode der Energiequelle und folglich wie das Targetmaterial.
Das vorschlagsgemäße Verfahren zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Beschichtungskammer als Targetkathode verwendet wird, die mindestens eine mit dem Targetmaterial fest verbundene Auflagefläche für das mindestens eine Substrat aufweist, dass das mindestens eine Substrat zumindest während des Beschichtungsvorgangs mit dem Targetmaterial in Kontakt steht.
Vorschlagsgemäß dient also die Beschichtungskammer selbst als Targetkathode, d.h. sie steht als Kathode in an sich bekannter Weise mit einer Einrichtung zur Sputterstromversorgung in elektrischem Kontakt. Die Anode der Sputterstromversorgung wird gesondert in die Beschichtungskammer geführt, bspw. mittels einer an sich bekannten elektrisch leitenden Gaslanze zur Zuführung mindestens eines Arbeitsgases, insbesondere Argon.
Damit entfällt das Vorhalten separater Targetkathoden innerhalb der Beschichtungskammer, wie es in der DE 196 09 804 C1 beschrieben ist. Somit ist der Aufbau der vorschlagsgemäßen Vorrichtung erheblich vereinfacht. Dennoch erlaubt die vorschlagsgemäße Vorrichtung die Herstellung gleichmäßiger Beschichtungen bei guten Beschichtungsraten.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Auflagefläche der Beschichtungskammer kann, je nach Verwendungszweck, flach oder gewölbt ausgebildet sein. Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Beschichtungskammer rohrförmig ausgebildet und das Targetmaterial auf der Innenwand der rohrförmigen Beschichtungskammer zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig aufgebracht ist. Damit kann die Beschichtungskammer an beliebige Verwendungszwecke, insbesondere in Bezug auf die Materialien von Target und Substrat, aber auch in Bezug auf die Größe und Handhabbarkeit des mindestens einen angepasst werden.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird ferner das beim Beschichtungsprozess nicht auf dem mindestens einen Substrat abgeschiedene Targetmaterial zum großen Teil wieder auf der Oberfläche des Targetmaterials redeponiert, wo es sofort zur weiteren Beschichtung wieder zur Verfügung steht. Es werden also lediglich die Oberflächen des mindestens einen Substrats bzw. die Oberfläche des Targetmaterials bzw. die Innenwand der Beschichtungskammer beschichtet. Materialverluste werden somit weitgehend vermieden.
Eine denkbare alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Beschichtungskammer selbst vollständig aus dem Targetmaterial gebildet ist.
Bei der bevorzugten rohrförmigen Ausgestaltung der Beschichtungskammer bilden die beiden stirnseitigen Öffnungen bei horizontal orientierter Zylinderlängsachse eine „vordere stirnseitige Öffnung“ beziehungsweise eine „hintere stirnseitige Öffnung“, die vorzugsweise mit Abschirmschilden zumindest teilweise verschlossen sind, Diese vorderen und hinteren Abschirmschilde sind Bauteile, die beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Magnetanordnung zur elektrischen und zur mechanischen Abschirmung des Arbeitsraums nach außen dienen. Bei einem die vordere bzw. hintere Öffnung nur teilweise verschließenden Abschirmschild ermöglicht die verbleibende Öffnung das Abpumpen der Beschichtungskammer und von Prozessgas aus dem Arbeitsraum und trägt zu einem geringen Verlust an Targetmaterial bei.
Die Bestückung der Beschichtungskammer mit dem zu beschichtenden mindestens einen Substrat erfolgt im einfachsten Fall über die vordere stirnseitige Öffnung. Das vordere Abschirmschild ist dabei entfernt und die Beschichtungskammer von vorne zugänglich. Daher ist bei dieser Ausführungsform das vordere Abschirmschild bewegbar beziehungsweise entfernbar gestaltet.
Das während des Beschichtungsprozesses auf den Abschirmschilden, abgeschiedene Beschichtungsmaterial kann auf einfache Weise recycelt und zurückgewonnen werden.
Der geringe Verlust an Beschichtungsmaterial bei Einsatz einer Magnetanordnung macht sich besonders positiv bemerkbar, wenn das Targetmaterial I aus Edelmetall gebildet wird, das auf der Innenwand der Beschichtungskammer fixiert ist.
Das Edelmetall-Bauteil ist beispielsweise ein Blech oder eine Folie. Im Vergleich zu einer Edelmetall-Beschichtung der Innenwand der Beschichtungskammer kann ein verbrauchtes Edelmetall-Bauteil einfach von der Innenseite wieder abgenommen und einem Recyclingprozess zugeführt werden. Das bevorzugte Aufkleben des Targetmaterials, insbesondere des Edelmetall-Bauteils auf der Innenwand der Beschichtungskammer ergibt eine im Beschichtungsprozess feste, aber danach vergleichsweise einfach zu lösende Fügeverbindung. Auch werden Bleche verwendet, die mit einem größeren Durchmesser als die Innenwandung des Rohres rund gebogen sind und sich somit federnd und damit selbsthaltend an die Innenwandung schmiegen.
Bei der vorschlagsgemäßen Magnetanordnung erfolgt die Zufuhr des mindestens einen Arbeitsgases bevorzugt unmittelbar in die Beschichtungskammer. Zu diesem Zweck ist in an sich bekannter Weise die Gaszuführung entweder durch das vordere und/oder hintere Abschirmschild vorgesehen, oder es sind Mittel zur Gasführung entlang des vorderen und/oder des hinteren Abschirmschilds in die Beschichtungskammer vorgesehen.
Die Innenwand der Beschichtungskammer kann als Innenbeschichtung eines Trägerrohres oder aus einer einstückigen oder mehrteiligen Auskleidung der Trägerrohr-Innenbohrung ausgeführt sein. Die Auskleidung kann beispielsweise als in Rohrform gebogenes Blech- oder Folienteil beziehungsweise durch mehrere insgesamt in Rohrform gebogene Blech- oder Folienteile gebildet sein. Die Innenwand der Beschichtungskammer kann eine Naht oder mehrere Nähte aufweisen. An der Innenwand können Auskleidungsteile stoßweise aneinanderstoßen und/oder sich überlappen. Die Innenwand der Beschichtungskammer umgibt einen zylinderförmigen Hohlraum, der gleichzeitig den Arbeitsraum für die Aufnahme des zu beschichtenden Substrats bildet.
Besonders bevorzugt ist die Beschichtungskammer bewegbar, insbesondere drehbar, angeordnet. Dies erlaubt es, das mindestens eine Substrat während des Beschichtungsvorgangs zu bewegen, um eine möglichst gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Diese Ausgestaltung ist besonders dann zweckmäßig, wenn das mindestens eine Substrat in Form von Stückgut, Schüttgut oder Sauggut vorliegt. Insbesondere ein Rütteln oder Umwälzen dieses Typs von Substrat bewirkt, dass über einen gewissen Zeitraum alle Substratoberflächen für die Partikel des Targetmaterials zugänglich sind.
Es ist von Vorteil, wenn die vorgesehene Energiequelle außerhalb der Beschichtungskammer angeordnet ist, da sie in diesem Fall einer Beschichtung durch das Targetmaterial nicht zugänglich ist. Hierbei wird zwischen der Sputterstromversorgung und mindestens einer Magnetanordnung, d. h. einer Magnetfeldquelle unterschieden. Bei Einsatz mehrerer Magnetfeldquellen kann ein schnellerer Abtrag des Targetmaterials und damit eine schnellere Beschichtung des Substrats, d. h. eine höhere Beschichtungsrate, erreicht werden und/oder es kann die Rotationsgeschwindigkeit der insbesondere hülsenförmigen oder röhrenförmigen Beschichtungskammer im Vergleich zu nur einer Magnetfeldquelle verringert werden.
Besonders bevorzugt ist die Energiequelle als Magnetanordnung, insbesondere als Gleichstrom-Magnetanordnung, ausgebildet. Dies fördert eine besonders einfache Prozessführung zur Beschichtung des mindestens einen Substrats.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann zum Anlegen eines Vakuums zweckmäßigerweise in einem Vakuumgehäuse aufgenommen sein. Die Beschichtungskammer kann aber auch einen Teil eines Vakuumgehäuses bilden.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:

1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Seitenansicht der vorgeschlagenen Beschichtungskammer gemäß 1.
3 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung mit geneigter Magnetanordnung.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel betrifft das erfindungsgemäße DC- oder Gleichstromsputtern von Substraten, die als Schüttgut in eine Beschichtungskammer eingegeben werden können. Andere Einsatzmöglichkeiten der vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere im Bereich der oben ausführlich erläuterten weiteren unabhängigen Erfindungsaspekte bleiben selbstverständlich hiervon unberührt.
DC- oder Gleichstrom-Sputtern ist ein physikalisches Beschichtungsverfahren, das im Vakuum unter Verwendung eines Arbeitsgases, typischerweise Argon, durchgeführt wird. Beim Sputtern werden Ionen des Arbeitsgases durch ein elektrisches Feld zur elektrisch leitenden Oberfläche des Targetmaterials beschleunigt. Die Ionen bewirken, dass durch eine Stoßkaskade neutrale Target-Atome oder Verbände von Targetatomen mehr oder minder senkrecht aus der Oberfläche herausgeschlagen werden. Sobald die Targetatome oder Verbände von Targetatomen auf ein Hindernis auftreffen, haften sie an der Oberfläche dieses Hindernisses an. Das Targetmaterial dient somit als Spendermaterial zur Beschichtung des Substrats. Die bevorzugte Region der auftreffenden Argon-Ionen auf dem Target kann durch geeignet angeordnete Magnete festgelegt werden. Ohne Magnete wird das gesamte Target bombardiert, verlangt aber dann eine höhere Spannung von vielen 100 V bis-einige 1000 V und die Beschichtungsrate ist sehr gering.
Das Target ist als Kathode geschaltet und gegenüber einer Anode mit einer Spannung von einigen 100V negativ gepolt. Die Anode ist separat in der Beschichtungskammer angeordnet, bspw. in Form einer elektrisch leitenden Gaslanze zur Zufuhr von Arbeitsgas, sodass die Anode nicht nur die Funktion einer Elektrode erfüllt, sondern zudem auch noch zur Zufuhr von beispielsweise Argon in die Beschichtungskammer dienen kann, wenn die Anode als Rohr oder Röhrchen zum Gastransport ausgeführt wird. Besonders vorteilhaft kann die Wandung der Beschichtungskammer bzw. ein beispielsweise elektrisch leitendes Targetmaterial auf der Innenseite der Beschichtungskammer selbst als Kathode genutzt werden.
Die 1, 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist eine Beschichtungskammer 11 auf. Die Beschichtungskammer 11 kann aus einem beliebigen Material bestehen. Insbesondere sind Aluminium, Kupfer, Edelstahl und andere Metalle bzw. Legierungen denkbar. Die Beschichtungskammer 11 ist im Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet. Die Beschichtungskammer 11 ist um ihre Längsachse A sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn rotierbar ausgebildet. Die Beschichtungskammer 11 ist rotierbar in einem Vakuumgehäuse aufgenommen oder bildet selbst einen Teil eines Vakuumgehäuses, das nicht näher dargestellt ist. In der Beschichtungskammer 11 ist eine Anode 21 eingebracht, die zudem als Gaslanze dient und mittels der die Beschichtungskammer 11 mit Arbeitsgas, vorzugsweise Argon befüllbar ist. Außerhalb der Beschichtungskammer 11 ist im Ausführungsbeispiel eine Magnetanordnung 12 vorgesehen. Die Magnetanordnung 12 dient im Zusammenwirken mit der Targetkathode 20 und der Anode 21 als Magnetron und somit als Energiequelle zur Erzeugung eines lonenplasmas 13. Die kinetische Energie des lonenplasmas 13 dient, wie oben beschrieben durch Stoßkaskaden, zur Vereinzelung von Atomen bzw. Verbünden von Atomen aus einem Targetmaterial 14.
Vorzugsweise ist das Targetmaterial 14 fest mit der Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 verbunden. Das Targetmaterial 14 kann insbesondere in Form einer Beschichtung auf die Innenwand 11a der Beschichtungskammer aufgetragen sein. Das Targetmaterial 14 kann aber auch auf die Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 aufgeklebt sein. Das Targetmaterial 14 kann ferner auch als rund gebogenes Blech federnd in der Beschichtungsvorrichtung gehalten werden.
Ein zur Beschichtung vorgesehenes Substrat 15 kann durch Schüttgut 15 gebildet werden, welches in die Beschichtungskammer 11 eingegeben wurde. Die Beschichtungskammer 11 kann wie in 3 angegeben sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn rotieren, beispielsweise in Pfeilrichtung, die die Rotationsrichtung R angibt. Die übrigen Bezugszeichen in der 3 entsprechen denen in der 1 und werden in Zusammenhang mit der 3 nicht wiederholt.
3 zeigt die Rotation der Beschichtungskammer 11 mit einer Rotationsrichtung R im Uhrzeigersinn an, wodurch mit Bezug auf die Blickrichtung auf die Beschichtungskammer 11 sich das Substrat 15 in Form des Schüttgutes mit dem Uhrzeigersinn dreht und sich daher beispielsweise auf einer 7 Uhr Position befindet. Um für diesen Betriebszustand die Magnetanordnung 12 diametral gegenüberliegend anzuordnen, befindet sich diese etwa auf einer 1 Uhr Position. So ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Energiequelle in Form der Gleichstrom-Magnetronanordnung an einer Umfangsposition außerhalb der Beschichtungskammer 11 angeordnet ist, die einer oberen 12Uhr Position nachläuft, insbesondere um 0° bis 60°, bevorzugt um 10° bis 50°, beispielsweise also 1 Uhr bis 2Uhr bezogen auf ein Zifferblatt einer Uhr.
Beispielsweise kann die Umfangsposition der Magnetanordnung 12 auch verstellbar sein, um deren Umfangsposition an die Art des Schüttgutes 15 und die Umfangsgeschwindigkeit anzupassen, da sich auch die untere Position des Schüttgutes 15 in der Beschichtungskammer 11 ändern kann. Das Targetmaterial 14 wird an der Position von der Innenwand 11a, also der Targetkathode 20 in Form der Beschichtungskammer 11 herausgeöst, an der sich das lonenplasma 13 verstärkt befindet, was durch die Position der Magnetanordnung 12 definiert wird. Das freie Targetmaterial 14 bewegt sich sodann in Richtung des Substrates 15 in Form des Schüttgutes 15 und kann sich auf diesem niederschlagen.
Dadurch, dass die Beschichtungskammer 11 in Rotation versetzt werden kann und damit die Innenwand 11a an der Position der Magnetanordnung 12 kontinuierlich vorbeiläuft, wird der weitere Vorteil erreicht, dass das Targetmaterial 14 gleichmäßig von der Innenwand 11a abgetragen wird, und zugleich wird sich freies Targetmaterial 14, das sich nicht auf dem Substrat 15 niederschlägt, gleichmäßig der Magnetanordnung 12 diametral gegenüberliegenden Position an der Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 wieder anlagern, wobei auch die gegenüberliegende Position der Anlagerung die Innenwand 11a kontinuierlich rotiert und daher die Anlagerung auch gleichmäßig verteilt über der Innenwand 11a erfolgt.
Vorschlagsgemäß ist die Beschichtungskammer 11 mit dem an ihrer Innenwand 11 a angebrachten Targetmaterial 14 als Kathode geschaltet. Diese Kombination aus Beschichtungskammer 11 und Targetmaterial 14 bildet somit die Targetkathode 20. Diese Ausgestaltung der Targetkathode 20 ermöglicht einen besonders einfachen und kompakten Aufbau der Vorrichtung 10, da keine separaten Targetkathoden im Innenraum der Beschichtungskammer 11 angebracht werden müssen.
Zu Beginn wird die Beschichtungskammer 11 ausgekleidet mit Silber mit dem Schüttgut 15 befüllt. Im Ausführungsbeispiel besteht das Schüttgut 15 aus Aderendhülsen aus Kupfer. In einem nächsten Schritt wird an die in einem Vakuumgehäuse aufgenommene Beschichtungskammer 11 ein Vakuum in der Größenordnung von < 5 · 10^-4 mbar angelegt. Dann wird die Beschichtungskammer 11 in Rotation versetzt, um das Schüttgut 15 umzuwälzen. Die Beschichtungskammer 11 kann insbesondere in Uhrzeigerrichtung und Gegenuhrzeigerrichtung rotieren. Als Arbeitsgas wird Argon verwendet, welches über eine Gaslanze (nicht dargestellt) der Beschichtungskammer 11 zugeführt wird. Die Beschichtungskammer 11 wird als Kathode geschaltet. Als Anode dient die Gaslanze (nicht dargestellt). Die erwartungsgemäße Sputterspannung liegt nach dem Zünden des Plasmas bei ca. 325 V bei einer Leistung von ca. 270 W. Der Arbeitsdruck wird hierbei auf ~3-5 · 10^-3 mbar eingestellt.
Nun wird die Magnetanordnung 12 aktiviert, wodurch aus dem Arbeitsgas im Ausführungsbeispiel ein Argon-lonenplasma erzeugt wird. Das Argon-lonenplasma trifft auf die Oberfläche des Targetmaterials 14 der Targetkathode 20 (im Ausführungsbeispiel Silber), wodurch einzelne Atome oder Atomgruppen aus dem Targetmaterial 14 herausgeschlagen werden. Diese Atome oder Atomgruppen schlagen sich auf den Oberflächen des Schüttguts 15 und wiederum des Targetmaterials 14 nieder. Dieser Vorgang dauert im Ausführungsbeispiel zur Beschichtung von Aderendhülsen aus Kupfer mit einer Silberschicht mit einer Dicke von ca. 200 nm etwa 10 Minuten bei einer Beschichtungsrate von ca. 20 nm pro Minute.
Das Schüttgut 15 befindet sich also während des Beschichtungsvorgangs in ständigem, direktem Kontakt mit dem Targetmaterial 14 der Targetkathode 20.
Die Umwälzung des Schüttguts 15 bewirkt eine vollständige äußere Beschichtung des Schüttguts 15 mit im Wesentlichen konstanter Schichtdicke, abhängig von der jeweiligen Beschichtungsdauer und Beschichtungsrate.
Die Magnetanordnung 12 weist in üblicher Weise einen Nordpol und einen Südpol auf. Die Magnetanordnung 12 bildet auf der Beschichtungskammer einen sogenannten „Racetrack“ aus. Durch die kontinuierliche Rotation der Beschichtungskammer 11 wird die gesamte Innenmantelfläche des Targetmaterials 14 überstrichen, so dass ein gleichmäßiger Abtrag des Targetmaterials erfolgt.
Die Ausgestaltung der Targetkathode 20 als rohrförmige Beschichtungskammer 11 mit damit fest verbundenem Targetmaterial 14 sowie die Tatsache, dass die einzigen in der Beschichtungskammer 11 vorhandenen Oberflächen diejenigen des Schüttguts 15 bzw. des Targetmaterials 14 sind, bewirken, dass überschüssige Atome bzw. Atomgruppen von Targetmaterial 14, welche das Schüttgut 15 verfehlen, wiederum auf die Oberfläche des Targetmaterials 14 der Targetkathode 20 aufprallen und dort anhaften. Somit geht nahezu keinerlei Targetmaterial 14 verloren. Eine Reinigung der Vorrichtung 10 von fehlgeleitetem Targetmaterial 14 erübrigt sich. Die Targetkathode 20 kann kontinuierlich so lange eingesetzt werden, bis ihr Targetmaterial 14 im Wesentlichen aufgebraucht ist und eine neue Schicht von Targetmaterial 14 auf die Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 aufgebracht werden muss.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Beschichtungskammer
11a: Innenwand von 11
12: Magnetanordnung
13: lonenplasma
14: Targetmaterial
15: Substrat, Schüttgut
20: Targetkathode
21: Anode
A: Längsachse von 11
R: Rotationsrichtung von 11

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19609804 C1 [0003, 0015]
US 6060129 A [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Beschichtung mindestens eines Substrats (15), mit einer Beschichtungskammer (11) zur Aufnahme des Substrats (15), wofür die Beschichtungskammer (11) mindestens eine Auflagefläche (11a) aufweist, wobei die Auflagefläche (11a) mit einem als Beschichtungsmaterial dienenden Targetmaterial (14) beschichtet ist, und mit mindestens einer Energiequelle (12) zur Erzeugung eines Plasmas (13) innerhalb der Beschichtungskammer (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer (11) als Targetkathode (20) ausgebildet ist und eine Anode (21) in der Beschichtungskammer (11) eingebracht ist, sodass die Energiequelle (12) in Form einer Gleichstrom-Magnetronanordnung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (11a) flach oder gewölbt ausgebildet ist und/oder dass eine Magnetanordnung (12) der Gleichstrom-Magnetronanordnung außerhalb der bzw. außenseitig angrenzend an die Beschichtungskammer (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer (11) rohrförmig ausgebildet und das Targetmaterial (14) auf der Innenwand (11a) der rohrförmigen Beschichtungskammer (11) zumindest bereichsweise eingebracht, aufgebracht oder aufgeklebt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer (11) bewegbar, insbesondere drehbar, angeordnet oder ausgebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Substrat (15) in Form von Stückgut, Schüttgut oder Sauggut vorliegt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (12) außerhalb der Beschichtungskammer (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (12) in Form der Gleichstrom-Magnetronanordnung an einer Umfangsposition außerhalb der Beschichtungskammer (11) angeordnet ist, die einer 12 Uhr Position nachläuft, insbesondere um 0° bis 60°, bevorzugt um 10° bis 50°, insbesondere analog 1 Uhr bis 2 Uhr.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) in einem Vakuumgehäuse aufgenommen ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer (11) einen Teil eines Vakuumgehäuses bildet.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (15) auf das gleiche elektrische Potential gesetzt wird wie die Targetkathode (20) der Energiequelle (12) und folglich wie das Targetmaterial (14).
Verfahren zur Beschichtung mindestens eines Substrats (15) in einer Beschichtungskammer (11), wobei innerhalb der Beschichtungskammer(11) mittels mindestens einer Energiequelle (12) ein Plasma (13) erzeugt wird, wobei die Beschichtungskammer (11) ein als Beschichtungsmaterial dienendes Targetmaterial (14) aufweist, wobei Partikel des Targetmaterials (14) freigesetzt werden, die sich auf der Oberfläche des mindestens einen Substrats (15) niederschlagen, dadurch gekennzeichnet, - dass die Beschichtungskammer (11) als Targetkathode (20) verwendet wird, die mindestens eine mit dem Targetmaterial (14) fest verbundene Auflagefläche (11a) für das mindestens eine Substrat (15) aufweist, und - dass das mindestens eine Substrat (15) zumindest während des Beschichtungsvorgangs mit dem Targetmaterial (14) der Targetkathode (20) in Kontakt steht und eine Anode (21) in die Beschichtungskammer (11) eingebracht ist, sodass die Energiequelle (12) in Form einer Gleichstrom-Magnetronanordnung genutzt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Plasmas mindestens ein Arbeitsgas, vorzugsweise Argon, verwendet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Substrat (15) zumindest während des Beschichtungsvorgangs bewegt, vorzugsweise gerüttelt oder umgewälzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer (11) während des Beschichtungsprozesses in Rotation versetzt wird, sodass das wenigstens eine Substrat (15) in der Beschichtungskammer (11) bewegt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (15) auf das gleiche elektrische Potential gesetzt wird wie die Targetkathode (20) der Energiequelle (12) und folglich wie das Targetmaterial (14).