In
der industriellen Fertigung sind sowohl In-Line-Beschichtungsanlagen wie auch kompakte Cluster-Beschichtungsanlagen
dieser Art zum Beispiel für
die PVD-Beschichtung
(Physical Vapour Deposition) bekannt. Mit diesem PVD-Verfahren werden keramische
oder andere Hartstoff-Schichten auf ein metallisches Substrat aufgedampft,
wobei das Schichtmaterial in einem physikalischen Prozess unter
Vakuumbedingungen aus einem Target einer Magnetron-Sputterquelle herausgelöst wird.
Bei
den In-Line-PVD-Beschichtungsanlagen sind die Behandlungseinheiten,
wie zum Beispiel eine Eingabeschleuse, eine oder mehrere Prozesskammern
mit einer oder mehreren Prozessstationen und einer Ausgabeschleuse
in Bewegungsrichtung des Substrates nacheinander angeordnet. Das
Antriebsmittel für
die Bewegung der Substrate ist meist ein Transportrollenbandsystem,
welches durch alle Behandlungseinheiten hindurch führt.
Die
nacheinander bestückten
Substrate passieren die Behandlungseinheiten der Beschichtungsanlage
geradlinig und in einheitlicher Geschwindigkeit, was zu einer sehr
guten Schichtenhomogenität führt. Es
ist jedoch apparatetechnisch sehr aufwendig und technologisch schwierig
Variationen in den Schichteigenschaften bei Substraten mit Mehrfachschichten
zu realisieren. So ist es für
die Einstellung einer besonders großen Schichtdicke von einem
Material erforderlich, geringe Transportbandgeschwindigkeiten zu
fahren und/oder mehrere gleichartige Sputterquellen oder gar Beschichtungskammern
hintereinander zu schalten. An den übrigen aktiven oder inaktiven
Prozessstationen, kann es dabei zu unnötig langen Verweilzeiten der
Substrate kommen. Die Realisierung verschiedener Schichteigenschaften
mit ein und derselben Inline-Beschichtungsanlage ist daher nicht
immer wirtschaftlich.
Die
als Cluster ausgeführten
PVD-Beschichtungsanlagen besitzen ein zentrale Handlerkammer und
daran angeflanscht mindestens eine Prozesskammer und eine Substratschleuse.
Mittels eines sogenannten Handlers, einem Vakuumroboter, der in der
zentralen Vakuumkammer positioniert ist, werden zu beschichtende
Teile individuell entsprechend des programmierten Beschichtungsablaufes
von der Schleuse zu der jeweiligen Prozesskammer transportiert und
an ein weiteres Antriebssystem übergeben
und umgekehrt. Innerhalb der Prozesskammer werden diese Substrate
mittels des weiteren Antriebes relativ zu den Targets der Sputterquellen
bewegt, um eine einzustellende Schichteigenschaft, insbesondere
eine gleichmäßige Schichtdicke
zu erzielen. Mit der programmierbaren Zuordnung der einzelnen Substrate
zu den verschiedenen Prozesskammern in der Reihenfolge und Verweildauer
ergibt sich eine Vielzahl an Beschichtungsvariationen. Die Relativbewegung
zwischen Substrat und Sputterquelle in der jeweiligen Prozesskammer
wird in der Regel durch eine Drehbewegung eines angetriebenen Drehtellers,
auf dem die Substrate angeordnet sind, realisiert. Bei einem abwechselnden
Betrieb mehrerer Sputterquellen in einer Prozesskammer werden weitere
mechanische Antriebe zur Bewegung von Blenden, z.B. Drehblenden,
zwecks Abschirmung der inaktiven Sputterquellen erforderlich, um
deren Kontamination mit Sputtermaterial zu vermeiden.
Nachteilig
an diesen Cluster Beschichtungsanlagen ist der apparatetechnische
Aufwand und Platzbedarf für
die spezifischen Antriebe einerseits für den Substrattransport und
andererseits für
die Relativbewegung der Substrate an den jeweiligen Sputterquellen
und des weiteren gegebenenfalls für die Bewegung der Abschirmbleche.
Darüber
hinaus erzeugt die Drehbewegung der Substrate relativ zu den Sputterquellen
Probleme bei der Homogenität
der Schichtdickenverteilung auf den Substraten. Der zentrisch angetriebene
Drehteller erzeugt eine kreisförmige
Bewegung, mit der die Substrate die Targetflächen mehrerer strahlenförmig um
den Drehpunkt des Drehtellers angeordneter Sputterquellen in einem
bestimmten Abstand überstreichen.
Dabei entsteht eine Abhängigkeit
der Schichtdickenverteilung auf dem Substrat vom Radius der Rotationsbewegung
jeden Flächenpunktes
des Substrates. Diese zwar geringe Inhomogenität in der Schichtdickenverteilung
genügt
jedoch heutigen Qualitätsansprüchen häufig nicht
mehr. Darüber
hinaus werden gewöhnlich
Beschichtungsquellen mit einer runden Targetfläche im Rotationsfeld des Drehtellers
angeordnet, um größere Leerräume zwischen
den Beschichtungsquellen, die bei der strahlenförmigen Anordnung von Beschichtungsquellen
mit rechteckiger Targetfläche entstehen
würden,
platzsparend zu vermeiden. Damit geht jedoch einher, dass bedingt
durch die runden Abmaße
der Targets und die geringere Sputterrate im Außenkreis der Targets die Schichtdickenverteilung auf
den Substraten zusätzlich
ungünstig
beeinflusst wird.
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde bei einer Vakuumbeschichtungsanlage
zur Beschichtung von Substraten den apparatetechnische Aufwand und
den Platzbedarf für
den Antrieb der Substrate und der Abschirmbleche zu verringern und
gleichzeitig günstigere
Bewegungsabläufe
für eine
verbesserte Schichtenvariation und Schichtqualität zu gestalten.
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das Antriebsmittel zur Bewegung des Substrates ein Vakuumroboter
ist, der in der ersten Prozesskammer angeordnet und zur Prozessstation und
der Ein- und Ausgabeschleuse bewegbar ist. Der erfindungsgemäße Vakuumroboter übernimmt
neben der Funktion, die Substrate zwischen der Schleuse und der
Prozessstation zu bewegen, die Erzeugung der Relativbewegung des
Substrates in Beziehung zu der Beschichtungsquelle. Damit ist es
möglich,
die gesonderten Antriebe für
die Relativbewegung der Substrate in den Prozesskammern der Cluster-
Beschichtungsanlagen einzusparen. Zum Schutze des Vakuumroboters
vor Kontamination mit Beschichtungsmaterial werden dazu dessen Bestandteile
mit Schutzblechen ausgestattet. Damit wird zum einen die Beschichtungsanlage
gegenüber
den Cluster- Beschichtungsanlagen wesentlich kompakter und wegen
der geringeren mechanischen Antriebssysteme weniger störanfällig. Zum
anderen können
die Substrate im Vergleich zu den Substraten in den In-Line-Beschichtungsanlagen
individueller behandelt werden. Die ansteuerbare Führung des
Roboterarmes mit dem daran befestigten Substrat kann neben kreisförmigen Bewegungen
auch lineare Bewegungen des Substrates beschreiben, so dass die
Relativbewegung des Substrates zur Beschichtungsquelle keine solche
rotationsabhängige
Abweichungen wie bei der Cluster-Beschichtungsanlage erfährt. Im
Ergebnis dieser Bewegungen des erfindungsgemäßen Vakuumroboters und seiner
Anordnung werden die verschiedensten homogenen Schichtdicken von
hoher Qualität
erzielt.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vakuumbeschichtungsanlage
als ein Cluster mit einer Handlerkammer und einer zweiten Prozesskammer
ausgeführt,
wobei die Handlerkammer zugleich die erste Prozesskammer ist. In
der zentralen, ersten Prozesskammer ist erfindungsgemäß der Vakuumroboter
gemeinsam mit mindestens einer Prozessstation installiert. In Erweiterung
dieser Vakuumbeschichtungsanlage können an Flanschen der Prozesskammerwand
weitere Prozesskammern mit weiteren Prozessstationen, wie zum Beispiel übliche Prozesskammern
der Cluster- Beschichtungsanlagen angeordnet sein, die ebenfalls
durch den Vakuumroboter mit Substraten bestückt werden. Somit kann in einer
solchen Beschichtungsanlage einen höhere Anzahl an technologischen
Prozessen als bisher vereint werden und ihre Einsatzfähigkeit
erweitert werden.
Bei
einer weiteren Ausführung
ist eine zweite Prozessstation angeordnet und weisen die Prozessstationen
Beschichtungsquellen auf, die wechselseitig abdeckbar sind. Hier
ist es möglich,
neben der zweiten Prozessstation noch weitere Prozessstationen mit
den gleichen Merkmalen anzuordnen. Mit als Blenden gearteten Schutzabdeckungen
für die
Beschichtungsquellen wird es möglich,
in der gleichen Prozesskammer Beschichtungen durch mehrere Beschichtungsquellen
mit verschiedenen Beschichtungsmaterialien nacheinander durchzuführen, ohne dass
dabei die inaktive Beschichtungsquelle mit Fremdbeschichtungsmaterial
kontaminiert wird.
Darüber hinaus
ist es zweckmäßig, dass
der Vakuumroboter zur Bewegung mindestens einer Abdeckblende mit
dieser in Wirkverbindung steht. Übernimmt
der Vakuumroboter die Führung
und Positionierung der Abdeckblenden für die unaktiven Beschichtungsquellen,
können
auch die speziellen mechanischen Antriebe hierfür, wie zum Beispiel Drehblenden,
entfallen. Der Vakuumroboter kann gegebenenfalls sämtliche
mechanische Aufgaben in der Vakuumkammer übernehmen, so auch die Positionierung
von Abdeckblechen für
Ventile und/oder Gasaustrittsöffnungen.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Vakuumroboter mindestens
einen ansteuerbaren mehrgliedrigen Faltarm aufweist. Damit kann insbesondere
auch die lineare Bewegung des Vakuumroboterarmes mit dem daran gehaltenen Substrat in
allen Koordinaten und zu nahezu allen Punkten der Vakuumkammer realisiert
werden. Dies erlaubt neben einer entfernten Anordnung von Beschichtungsquellen
in gegebenenfalls angeflanschten Prozesskammern gleichzeitig auch
eine Anordnung von Beschichtungsquellen innerhalb der zentralen
Prozesskammer nahe dem zentralen Standort des Vakuumroboters und
in jeglicher Ausrichtung, so dass die Vakuumbeschichtungsanlage
an Variabilität
und Kompaktheit gewinnt. In einer Variation der erfindungsgemäßen Vakuumbeschichtungsanlage
werden die Bewegungsabläufe
mehrerer Substrate durch die gleichzeitige Verwendung zwei oder
mehrere mehrgliedrige Vakuumroboterarme angesteuert, so dass mehrere
Substratbehandlungsprozesse gleichzeitig an verschiedenen Prozessorten
in der Vakuumbeschichtungsanlage betrieben werden können.
Des
weiteren ist es vorteilhaft, dass die Prozessstation eine Beschichtungsquelle
mit einer rechteckigen Targetfläche
aufweist. Die Beschichtungsquellen mit rechteckiger Targetfläche können zu
einem Block mit geringen Leerräumen
aneinander gereiht werden. Neben dem Vorteil der ökonomischen Raumausnutzung,
womit eine hohe Konzentration von Prozessorten innerhalb einer Vakuumkammer erreicht
wird, entfallen hierdurch die beschriebenen Störungen in der Schichtdickenverteilung,
die bei der Verwendung von Targetflächen mit rundem Grundriss auftreten.
Der Vakuumroboter kann ein Substrat in exakt rechtwinkliger Ausrichtung
zu den Kantenlinien des jeweiligen rechteckigen Targetgrundrisses über jede
der Beschichtungsquellen führen,
so dass gleichmäßige Verweilzeiten
für die
Beschichtung aller Substratflächenpunkte
erzeugt werden und somit eine Schichtdickenhomogenität mit einer
weiteren erheblichen Qualitätssteigerung
erzielt wird.
Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Prozesskammer mindestens
eine Ausbuchtung zum Einschwenken von Substraten und/oder zur Aufnahme
von Substraten aufweist. Diese Ausbuchtungen ermöglichen die Substrate vollständig geradlinig über die
Targets der Beschichtungsquellen, insbesondere über die am Rand der Vakuumkammer
positionierten Targets hinweg zu bewegen, so dass keine Einbuße an der
homogenen Schichtenqualität
entsteht. Darüber
hinaus ist es technologisch von Vorteil, dass in den Ausbuchtungen
Substrate im Verlauf eines Beschichtungszyklus zwischengelagert
werden können,
ohne dass die Substrate einzeln die Schleusen passieren müssen.
Darüber hinaus
ist es dienlich, dass die erste Prozesskammer einen runden Querschnitt
aufweist. Somit bietet die Cluster-Beschichtungsanlage das größtmögliche Platzangebot
für die
Anflanschung der peripheren Prozesskammern.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vakuumbeschichtungsanlage
ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Faltarmes programmierbar und
steuerbar. Damit ist es möglich
verschiedene Geschwindigkeitsprofile insbesondere bei der Relativbewegung
des Substrates über
die Targetfläche
während
des Beschichtungsprozesses zu realisieren und dabei bestimmte Schichtdickenprofile
zu erzeugen, wie zum Beispiel Schichten mit keilförmigem Querschnitt.
Ergänzend ist
es günstig,
dass der Vakuumroboter ansteuerbar höhenverstellbar ist. Somit kann
der Abstand des Substrates zum Target in situ und sogar während des
Beschichtungsprozesses ohne weiteren technischen Aufwand variiert
werden.
Darüber hinaus
ist es dienlich, dass der Faltarm thermisch entkoppelt ist. Damit
wird eine thermische Belastung des Vakuumroboters durch die auf das
Substrat einwirkende und auf den Faltarm weitergeleitete, thermische
Prozessenergie weitestgehend vermieden.
In
einer zentralen ersten Prozesskammer 1 sind sechs Längsmagnetrons
als Beschichtungsquellen 2, welche Targetflächen 3 mit
einem rechteckigen Grundriss aufweisen, eingesetzt. Diese können sowohl
im Kammerboden 4 als auch im nicht dargestellten Deckelflansch
der zentralen Prozesskammer 1 angeordnet sein. Den Längsmagnetrons
gegenüberliegend,
im Zentrum der zentralen Prozesskammer 1 befindet sich
der Vakuumroboter 5 (körperlich
nicht dargestellt). Dargestellt sind in 1 nur die beiden mehrgliedrigen Faltarme 6 des
Vakuumroboters 5. Der Vakuumroboter 5 kann das
Substrat 7, hier z.B. einen Wafer, aus einer nicht dargestellten Schleuse
holen, die an einem der beiden für
Ein- und Ausgabeschleuse vorgesehenen Flansche 8 montiert
wird. Zum Prozessieren bewegt der Vakuumroboter 5 das Substrat 7 in
einem bestimmten Abstand über
die Targetfläche 3 der
Längsmagnetrons
und zugleich linear und rechtwinklig zu den Kantenlinien der rechteckigen
Targetfläche 3.
Damit das Substrat 7 vollständig geradlinig über die
Targetfläche 3 hinweg
bewegt werden kann, gibt es Ausbuchtungen 9 in der zentralen
Prozesskammer 1 zum Einschwenken der vom Vakuumroboter 5 bewegten
Substrate 7. Gleichzeitig dienen die Ausbuchtungen 9 als
Ablagemöglichkeit
für die
Substrate 7. Zum Abschotten der nicht aktiven Längsmagnetrons
zum Schutze vor Fremdbeschichtung werden Abdeckbleche (nicht dargestellt) über die
Targetflächen 3 positioniert,
die ebenfalls mittels des Vakuumroboters 5 gehandelt werden.
Bei einem Einsatz von sechs Längsmagnetrons
werden fünf
Abdeckbleche benötigt,
die entsprechend dem abwechselnden Betrieb der Längsmagnetrons nur ihre Position über den
sechs Targetflächen 3 verändern, so
dass für
die Abdeckbleche keine gesonderte Ablagemöglichkeit vorgesehen werden
muss. An weiteren Flanschen 10 kann eine spezielle, zweite
und weitere Prozesskammern 11, wie z.B. Ätzkammern
peripher angeordnet werden.