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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumbeschichtungsanlage zum Mehrfachbeschichten
von Substraten in einer Vakuumbeschichtungskammer, die mit einem
Vakuumpumpsystem versehen und über
dieses evakuierbar ist, mindestens eine Schleuse, ein Gaszuführungssystem,
eine Transporteinrichtung und zwei elektrisch getrennt betriebene
Magnetrons mit je einem Target aufweist, wobei die Targetoberflächen der
Transporteinrichtung gegenüberliegen
und auf der Transporteinrichtung ein Substrat relativ zu dem einen
oder anderen Target positionierbar ist.
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In
derartigen Vakuumbeschichtungsanlagen der Magnetronsputtertechnologie
werden unterschiedliche Beschichtungsprozesse platzsparend in einer
Vakuumbeschichtungskammer unter Beibehaltung des Vakuums betrieben.
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Entsprechend
der Targetbestückung
der beiden Magnetrons, der Gaszusammensetzung der Sputter- und Reaktivgase
sowie der gewählten
Relativbewegung der Substrate auf dem Transportsystem werden im
beibehaltenen Vakuum variierbare Schichten in Bezug auf Beschaffenheit,
Schichtdicke und Reihenfolge der Schichten auf die Substrate aufgebracht,
ohne dass die Vakuumkammer bei Änderung
des Beschichtungsprozesses belüftet
und wieder evakuiert werden muss.
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Diese
Anlagen dienen in der Einzelfertigung für individuelle Beschichtungsvorgänge mit
geringeren Substratstückzahlen,
wie sie z. B. bei Spezialbeschichtungswerkstätten oder Forschungslaboren häufig vorkommen,
und ermöglichen
auch bei In-line-Beschichtungsanlagen
mit mehreren Beschichtungssektionen flexible Fertigungsprozesse durch
die auf diese Weise veränderbaren
Beschichtungsvorgänge
in den einzelnen Beschichtungssektionen.
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Vakuumbeschichtungsanlagen
der eingangs genannten Art sind in Bezug auf den Aufbau aus der Druckschrift
DE 100 04 786 A1 bekannt.
Die dort beschriebenen Bauelemente einer Beschichtungssektion finden
sich in der eingangs beschriebenen Vakuumbeschichtungskammer wieder.
Das dort dargestellte Doppelmagnetron kann nach dem weiterentwickeltem
Stand der Technik sowohl mit Wechselstrom (AC) als auch mit pulsierendem
Gleichstrom (DC) betrieben werden, weshalb diese Magnetrons getrennt elektrisch
betriebenen werden. Die Anwendung dieser verschiedenen Impulsverfahren
ist aus einem Artikel von H. Bartzsch und P. Frach: "Different pulse techniques
for stationary reactive sputtering with double ring magnetron", Zeitschrift Surface
and Coating Technology, 1999 bekannt, in dem u. a. verschiedene
Impulsverfahren an Doppel-Magnetrons beschrieben werden. Einerseits
können
mit einer alternierenden Spannung die Polarität der beiden Magnetrons in
unterschiedlicher Frequenz gewechselt werden, wobei sie wechselseitig
als Katode und Anode betrieben werden (bipolarer Modus). Andererseits
kann eine pulsierende Gleichspannung an beiden Magnetrons realisiert
werden (einpoliger Modus), wobei wechselseitig jeweils eins der
Magnetrons stromlos geschalten ist und das andere Magnetron als
Katode arbeitet. Gemeinsame Gegenkatode für beide Magnetrons bildet hier
eine externe Anode.
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In
einer Dokumentation der Anmelderin „Beschreibung der Doppelmagnetron-Sputtereinrichtung SDM
900-DC" wird ein
Doppelmagnetron beschrieben, bei welchem die beiden Magnetrons einer
Vakuumkammer als Einzelmagnetrons mit einer separaten Gleich stromversorgung
(DC) gespeist werden und entsprechend der gewünschten Prozessschritte verschieden
betrieben werden können.
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In
einer weiteren Projektbeschreibung der Anmelderin „Abschlussbericht
zu dem Verbundprojekt 'Grundlagen
für Hochbeständige "Low-E"-Schichtsysteme auf
Architekturglas'" Abschnitte 5.2.2.2
bis 5.2.2.3 wird beispielhaft für
die Anwendung von zwei getrennten Magnetrons mit verschiedenen Targetmaterialien
in einer Vakuumkammer ein festinstallierter Mittelsteg aus Metall
als starre Blende zwischen den Beschichtungsräumen der beiden Magnetrons
beschrieben. Damit sollen die verschiedenen Beschichtungsprozesse
der beiden Magnetrons von einander abgeschirmt werden, um Fremdmaterialbeschichtung
auf dem Substrat, der Magnetronumgebung oder auf dem Target des Magnetrons
im benachbarten Beschichtungsraum zu vermindern.
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Ein
gemeinsames Problem bei den beschriebenen Beschichtungsverfahren
stellt die unerwünschte
gegenseitige Fremdbeschichtung durch die benachbarten Magnetrons
dar. Die Wirksamkeit eines Mittelsteges zwischen den Magnetrons
zum Schutz vor Fremdmaterialbeschichtung ist ungenügend, da
dieser Steg die Beschichtungsräume
nicht vollständig
von einander abtrennt aber eine vollständige Abtrennung der Beschichtungsräume wegen der
Aufrechterhaltung einer gemeinsamen Vakuumabsaugung und Gaszufuhr
nicht möglich
ist. Darüber
hinaus behindert dieser feste Mittelsteg die homogene Ausbreitung
des Sputter- und Reaktivgasgemisches, was zu einer ungleichmäßigen Schichtenzusammensetzung
auf dem Substrat führen
kann.
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Durch
das gemeinsame Gaszuführsystem
ist ein annähernd
gleiches Sputter- und Reaktivgasgemisch für beide benachbarte Beschichtungsprozesse in
einer Vakuumkammer vorgegeben, was die Variabilität der gleichzeitig
ablaufenden benachbarten Beschichtungsprozesse in einer Vakuumkammer
einschränkt.
Es können
nur solche Prozesse gleichzeitig nebeneinander ablaufen, die annähernd gleiche Gasbedingungen
verlangen und bei denen sich die verschiedenen Materialien gegenseitig
nicht negativ beeinflussen. Bei einem Beschichtungsprozess, der spezielle
zu anderen Prozessen unverträgliche
Bedingungen erfordert (z. B. die Sili ziumoxidbeschichtung mit einem
mit Silizium bestückten
Target und einer hohen Sauerstoffkonzentration), kann dieser Prozess
nach wie vor nur in einer gesonderten Beschichtungssektion erfolgen,
da auch bei einem denkbaren Einzelbetrieb von nur einem der beiden
Magnetrons eine Fremdmaterialbeschichtung des inaktiven Magnetrons
und seines Beschichtungsraumes nicht verhindert werden kann.
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In
der
DE 195 06 515
C1 wird zu einem Verfahren zur reaktiven Beschichtung auch
eine Beschichtungsanlage beschrieben, die mit einer Schwenkblende
versehen ist, hinter der ein Substrat angeordnet ist. Diese bewegliche
Blende arbeitet dabei als Substratabdeckblende, mittels derer das
Substrat beispielsweise vor unbeabsichtigter Beschichtung geschützt werden
kann. Der eigentliche Beschichtungsvorgang des Substrates erfolgt
bei geöffneter
Substratabdeckblende.
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Aus
der Druckschrift C. May et al, The 6th International Conference
an Architectural and automotive Glass Tempere, Finnland 13.–16. Juni
1999, Seiten 1–12
ist eine Vakuumbeschichtungsanlage bekannt, die in einer Vakuumbeschichtungskammer,
die mit einem Vakuumpumpsystem versehen und über dieses evakuierbar ist,
mindestens eine Schleuse, ein Gaszuführungssystem, eine Transporteinrichtung und
zwei elektrisch getrennt betriebene Magnetrons mit je einem Target
aufweist. Dabei sind auch eine Substrattransportvorrichtung und
Schleusen für
die einzelnen Vakuumkammern vorgesehen.
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Aus
der
JP 03219 067 A sind
Beschichtungsvorrichtungen bekannt, die entweder Substrate über einem
Dual-Magnetron-System mit Abschirmblenden bewegen, oder in einem
Mehrkammersystem Substrate längs über Einzelmagnetrons
bewegt, die wiederum mit einer Abschirmblende abgedeckt werden können.
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In
der
DD 135 091 A ist
eine Einrichtung zum Beschichten durch Hochratezerstäubung mit
einem Plasmatron bekannt. Darin wird auch eine bewegliche Dampfstromblende
dargestellt, die anfänglich
die Substrate abdeckt. Hierbei handelt es sich um eine statische
Einzelmagnetronkammeranlage.
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In
der
JP 01127674 A wird
ebenfalls eine statische Anordnung der Substrate in einer Vakuumkammer
beschrieben, in der verschiedene Targets vorgesehen sind, die durch
eine drehbare Magnetronanordnung derart aktivierbar sind, dass unter
das auszuwählende
Target die Magnetronanordnung gedreht wird und damit von diesem
Target gesputtert wird. Zur Vermeidung eines Besputterns der anderen Targets
ist eine ebenfalls drehbare Lochblende vorgesehen, deren Blendenöffnung über das
jeweils aktivierte Target gedreht wird.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung besteht darin, die
beschriebenen Nachteile des Standes der Technik bei Inline-Beschichtungsanlagen
zu beseitigen und damit die Schichtabscheideergebnisse auf den Substraten
zu verbessern. Auch der Mehraufwand an Reinigungsarbeiten, der durch
die Fremdbeschichtung notwendig ist, soll vermindert werden, um
die Effizienz dieser Anlagen zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die eine oder andere Targetoberfläche der Magnetrons wahlweise
mit einer beweglichen Blende abdeckbar ist, deren Fläche mindestens
der Größe der größten der
abzudeckenden Targetoberflächen
entspricht. Das Vakuumabsaugsystem ist in der Vakuumbeschichtungskammer über ein
Absaugspaltprofil mit dem eigentlichen Prozessraum verbunden, wobei
jedem Magnetron ein Absaugspaltprofil zugeordnet ist und das eine
oder das andere Absaugspaltprofil wahlweise mit einer beweglichen
Vakuumblende von dem Prozessraum abschirmbar ist.
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Diese
Art der Abdeckung ersetzt die im Stand der Technik bekannte starre
Blende. Mit der Abdeckung jeweils eines der beiden Targets mittels einer
Blende, die das Target in direkter Weise überdeckt, geht zwingend einher,
dass das abgedeckte Magnetron in dieser Phase nicht in Betrieb genommen
ist.
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Mit
dieser Verfahrensweise kann eine vollständige Trennung der verschiedenen
zu absolvierenden Beschichtungsprozesse in einer Vakuumkammer verwirklicht
werden. Das Substrat wird z. B. in der Phase des Betriebes eines
Magnetrons diesem mit Hilfe des Transportsystems in günstiger
Weise zugeordnet und nach Abschluss dieses Prozesses dem anderen
nunmehr in Betrieb genommenen Target zugeführt. Eine Fremdmaterialbeschichtung
des Substrates ist ausgeschlossen und das inaktive Target ist durch
die erfindungsgemäße Blende
vor Fremdbeschichtung geschützt.
Der gesamte Beschichtungsraum steht ohne dem Hindernis der starren
Blende zur homogenen Verteilung des Sputter- Reaktivgasgemisches zur Verfügung.
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Die
Anordnung des Absaugspaltprofiles und der Vakuumblende realisiert
eine Vakuumintensivierung im Bereich des aktiven Magnetrons, wodurch das
Vakuum gezielt auf das aktive Magnetron abgestimmt werden kann.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gaszuführungssystem mit mindestens
zwei den jeweiligen Magnetrons zugeordneten Verteilkanälen mit
Gaseinlassöffnungen
versehen, wobei die dem einen oder dem anderen Magnetron zugeordneten Gaseinlassöffnungen
mit einer beweglichen Gasblende wahlweise verschließbar sind.
Mit dieser Ausgestaltung kann der Gaseinlass direkt und ausschließlich dem
im Betrieb befindlichen Magnetron zugeordnet werden, wobei der Gaseinlass
des inaktiven Magnetrons abgedeckt und vor Fremdmaterialbeschichtung
geschützt
wird. Die optimale Gaskonzentration ist nur im Bereich zwischen
dem aktiven Target und dem Substrat erforderlich. Die Gaszusammensetzung
im übrigen
Beschichtungsraum der Vakuumkammer ist von untergeordneter Bedeutung. Dort
kann die Gaszuführung
in dem Moment eingedämmt
werden.
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In
einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung, ist vorgesehen, dass das Vakuumabsaugsystem in der
Beschichtungskammer oberhalb der Targets angeordnet ist und die
Absaugung über
ein sich zwischen der Targetaußenkontur und
der Beschichtungskammer-Innenwand befindendes Absaugspaltprofil
führbar
ist. Dabei befinden sich die Gaseinlassöffnungen seitlich der Magnetrons
in einer Ebene mit den Targetoberflächen. Die bewegliche Blende
bildet auch die Gasblende und die Vakuumblende, wodurch gleichzeitig
die Targetoberfläche eines
Magnetrons abdeckbar, die einem Magnetron zugeordneten Gaseinlassöffnungen
verschließbar und
die Querschnitte des einem Magnetron zugeordneten Absaugspaltprofiles
abschirmbar sind.
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Diese
Blende bewirkt in einem Vorgang die Abdeckung des inaktiven Targets,
des Gasauslasses und der Vakuumabsaugung des inaktiven Magnetrons.
Die Komplexität
dieser Blende verringert den mechanischen Aufwand der Abschirmung
aller relevanten Elemente in der Vakuumkammer. Das bedingt aber
auch, dass die abzudeckenden Elemente sich in einer Ebene mit der
Targetoberfläche
befinden.
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Die
Erfindung sieht weiterhin vor, dass die bewegliche Blende in einer
Ebene parallel zu den Targetoberflächen verschiebbar ist. Somit
erfolgt die wechselseitige Bewegung der Blende auf eine vorteilhaft
platzsparende Weise.
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Schließlich sieht
eine günstige
Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Gaszuführungssystem über mindestens
drei Verteilkanäle
verfügt,
die sich außenseitlich
und zwischen den Magnetrons in einer Ebene mit den Targetoberflächen befinden.
Dabei ist der mittlere Verteilkanal zwischen den Magnetrons in seinem
Querschnitt hälftig
geteilt. Die Gaseinlassöffnungen
des linken Kanalteils sind dem linken Magnetron und die Gaseinlassöffnungen
des rechten Kanalteils dem rechten Magnetron zugeordnet. Die wechselseitig
bewegliche Blende kann somit gleichzeitig mit der Abdeckung eines
Targets jeweils den diesem Target zugeordneten Teil des Mittelkanals
abdecken.
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In
dieser Weise kann die mittige Gaszuführung über nur einem Mittelkanal zwischen
den beiden Targets dem Betrieb beider Magnetrons zugeordnet werden,
ohne dass eine Fremdmaterialbeschichtung auf dem Mittelkanal erfolgt.
Auch diese Ausgestaltung ermöglicht
einen platzsparenden Aufbau der Vakuumkammer.
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Neben
den genannten Vorzügen
der Erfindung ist hervorzuheben, dass mit der konsequent verwirklichten
Trennung der Magnetrons und ihrer Prozesselemente nunmehr auch artverschiedene und
zueinander unverträgliche
Beschichtungsprozesse, in einer Vakuumkammer ohne Zwischenbelüftung und
Umrüstung
verwirklicht werden können.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die
Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Vakuumkammer 1 im
Schnitt. Im Deckel 2 der Vakuumkammer 1 sind das
Vakuumpumpsystem 3 und zwei Magnetrons 4, 5 mit
den jeweiligen Targetoberflächen 6, 7 integriert,
die dem Transportsystem 8 gegenüberliegen, welches die Substrate horizontal
in einer Gegensputterebene 9 bewegt. Die Magnetrons 4, 5 werden
getrennt elektrisch, z. B. als Katode betrieben. Es ist immer nur
ein Magnetron 4, 5 aktiv. Im Beschichtungsraum
der Vakuumkammer 1 dienen zusätzliche stationäre Konturbleche 10 zur Abschirmung
und Kühlung
und gegebenenfalls als Anode. Das Gaszuführungssystem 11 befindet
sich in einer Ebene mit den Targetoberflächen 6, 7 der beiden
Magnetrons 4, 5. Die Magnetrons schließen dabei
den mittleren Verteilkanal 12 des Gaszuführungssystems
ein. Dieser Verteilkanal ist in seinem Querschnitt hälftig geteilt.
Die Gaseinlassöffnungen des
linken Kanalteils sind dem linken Magnetron 4 und die Gaseinlassöffnungen
des rechten Kanalteils dem rechten Magnetron 5 zugeordnet.
Die Zwischenräume
zwischen den Außenkonturen
der Magnetrone 4, 5 und der Gasverteilkanäle und der
Innenkontur der Vakuumkammer 1 bilden das Absaugspaltprofil 13 des
Vakuumpumpsystems 3. Die bewegliche Blende 14,
parallel zu den Targetoberflächen 6, 7 verschiebbar,
ist exakt so gestaltet, dass sie gleichzeitig die Targetoberfläche 6 eines
Magnetrons 4 abdeckt, die einem Magnetron 4 zugeordneten
Gaseinlassöffnungen
des Gaszuführungssystem 11 verschließt und die
Querschnitte des einem Magnetron 4 zugeordneten Absaugspaltprofiles 13 abschirmt.
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Dieser
motorgetriebene Vorgang ist in die Prozessdatensteuerung integriert
und bewirkt die komplette Abdeckung der jeweils in aktiv geschaltenen
Sputterfunktionselemente während
des Betriebes der Vakuumkammer 1. Die gegenseitige Fremdbesputterung
der parallel für
verschiedenen Beschichtungsprozesse in der gemeinsamen Vakuumskammer 1 installierten
Sputterfunktionselemente wird verhindert.
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- 1
- Vakuumkammer
- 2
- Vakuumkammer-Deckel
- 3
- Vakuumpumpsystem
- 4
- Magnetron
- 5
- Magnetron
- 6
- Targetoberfläche
- 7
- Targetoberfläche
- 8
- Transportsystem
- 9
- Gegensputterebene
- 10
- Konturbleche
- 11
- Gaszuführungssystem
- 12
- mittlere
Verteilkanal des Gaszuführungssystem
- 13
- Absaugspaltprofil
- 14
- bewegliche
Blende