DE19913802C1 - Behandlungsverfahren für thermisch hoch belastete Substrate in Elektronenstrahl-Bedampfungsanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Behandlungsverfahren für thermisch hoch belastete Substrate in Elektronenstrahl-Bedampfungsanlagen, bei dem die Substrate in Form von Stückgut mit Thermo-Barriereschichten beschichtet werden, indem die Substrate nach dem Vorheizen in eine Behandlungskammer überführt und dort die Beschichtung im Vakuum bei hohen Temperaturen aufgebracht wird. DOLLAR A Durch die Erfindung soll ein in-line-Behandlungsverfahren für thermisch hoch belastete Substrate geschaffen werden, mit dem eine wesentliche Erhöhung der Produktivität erreicht wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Transporteinheit taktweise nach dem Durchlaufbetrieb von Kammer zu Kammer transportiert wird, wobei die Taktzeit hauptsächlich von der Behandlungszeit in der Bedampfungskammer bestimmt wird, daß die Transporteinheit während der Verweilzeit in einer Kammer über ein leckfreies Andocksystem mit einer Medienversorgung verbunden ist, daß die Transporteinheit kurzzeitig von der Medienversorgung abgekoppelt und während dieser Zeit zur jeweils nächsten Kammer transportiert wird, daß während des Transportes ein interner Kühlkreislauf eines Kühlmittels in der Transporteinheit aufrechterhalten wird, und daß die Temperatur des Substrates während des Transportes im wesentlichen konstant gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Behandlungsverfahren für thermisch hoch belastete Substrate in Elektronenstrahl-Bedampfungsanla­ gen, bei dem die Substrate in Form von Stückgut mit Thermo- Barriereschichten, sogenannten thermal barrier coatings (TBC) beschichtet werden, indem die Substrate nach dem Vorheizen in einer Vakuumkammer bis nahezu auf die Beschichtungstemperatur in eine Behandlungskammer überführt und dort die TBC-Schicht aus der Dampfphase im Vakuum bei hohen Temperaturen aufge­ bracht wird.

Eine übliche Vorrichtung zum Aufbringen von Thermo-Barriere­ schichten besteht im wesentlichen aus einer Ladekammer, einer Heizkammer und einer Bedampfungskammer, die nacheinander an­ geordnet sind. In der Bedampfungskammer befinden sich Verdamp­ fertiegel und zugehörige Elektronenkanonen. Weiterhin sind die einzelnen Kammern mit Evakuierungseinrichtungen zur Erzeugung eines Prozeßvakuums sowie den erforderlichen peripheren Bau­ gruppen verbunden. Zur Erzielung der notwendigen Haftfestig­ keit der Schichten werden die Bauteile durch eine geeignete Heizeinrichtung auf Temperaturen über 500°C vorgewärmt.

Zum Transport der Substrate durch die Kammern dient ein Wagen, an dem eine Chargierstange entsprechender Länge angeordnet ist. Die Chargierstange ist an ihrem in die Anlage ragenden Ende mit einem Substrathalter für die zu beschichtenden Bau­ teile versehen. Die lange, thermisch belastbare oder wasserge­ kühlte Chargierstange ermöglicht den Transport der Substrate in oder durch die heißen Zonen, ohne daß der Wagen mit seinen Antrieben den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wird.

Die Nachteile einer Ausführung mit Chargierstange bestehen in ihrer mangelnden Flexibilität. Wird im Rahmen der technologi­ schen Weiterentwicklung der Einbau weiterer Prozeßkammern bzw. Arbeitsstationen erforderlich, müßte die Chargierstange ent­ sprechend verlängert werden. Dieser Verlängerung sind jedoch durch die abnehmende Steifigkeit der Stange bei gegebenem Querschnitt Grenzen gesetzt. Außerdem besitzen die bisher bekannten Bauformen Nachteile durch ihren großen Bauaufwand, ihre große Baulänge, den entsprechend großen Platzbedarf der Anlage und die damit verbundenen Kosten.

Es besteht weiterhin auch die Möglichkeit, die Einrichtung zur Substrataufnahme ohne Verwendung einer Chargierstange direkt an dem Transportwagen zu befestigen. Der Transportwagen wird dann mittels eines Rollensystems innerhalb der Kammern verfah­ ren. Diese Lösung besitzt den Nachteil, daß zur thermischen Abschirmung des Wagens eine zusätzliche Zwischenkammer zwi­ schen Heizerkammer und Beschichtungskammer erforderlich ist, in der sich der Transportwagen während der Beschichtung befin­ det.

Darüberhinaus ist es erforderlich, den Transportwagen mit Kühl- und Steuermedien zu versorgen, während dieser sich in einer der Vakuumkammern befindet. Das kann beispielsweise mit einem leckfreien Andocksystem erfolgen, wie es aus der DE 197 43 800 C1 bekannt geworden ist. Ein derartiges Andocksystem enthält eine erste Zwischenkammer, welche die Außenwand eine Vakuumkammer durchdringend angeordnet ist, die mit einer zwei­ ten Zwischenkammer, welche im Innern der Vakuumkammer mit dem Transportwagen längs bewegbar ist. Beide Zwischenkammern sind in der Andockposition über Durchtrittsöffnungen für die Me­ dienanschlüsse miteinander verbunden, wobei die Durchtritts­ öffnungen jedoch gegenüber dem Vakuum in der Vakuumkammer abgedichtet sind.

Aus der DE 195 26 600 A1 ist weiterhin eine Elektronenstrahl- Bedampfungsanlage bekannt geworden, bei der mehrere Kammern, einschließlich einer Bedampfungskammer vorgesehen sind. Der Transport der zu beschichtenden Substrate durch die Kammern erfolgt mit einem Transportwagen, der auf Rollen geführt wird. Unmittelbar vor der Bedampfungskammer befindet sich eine Zwi­ schenkammer, in der sich der Transportwagen während der Be­ dampfung der Substrate in der Bedampfungskammer befindet. Um eine ausreichende Kühlung des Transportwagens sicherzustellen, sind in der Zwischenkammer Kühlbacken vorgesehen, die von einer oder mehreren Seiten an den Transportwagen gedrückt werden.

Gemeinsame Nachteile der geschilderten Ausführungen liegen darin, daß aufgrund des Chargenbetriebes die Zeit für einen Bedampfungszyklus aus der Summe der Prozeßzeiten in den ein­ zelnen Stationen der Anlage besteht. Zur teilweisen Lösung dieses Problems wurden die Kammern zur Durchführung der Hilfs­ prozesse "Vakuumschleusen" und "Vorheizen" spiegelbildlich oder spielgelbildlich und doppelt auf beiden Seiten der Be­ dampfungskammer angeordnet und es wird mit zwei oder vier Einrichtungen zum Substrattransport gearbeitet. Derartige Anlagen werden z. B. mit 4 verschiebbaren Chargierkammern und 2 Heizkammern ausgerüstet. Diese Lösung ist allerdings sehr platz- und kostenaufwendig.

Um die geschilderten Probleme besser zu lösen, ist eine Elek­ tronenstrahl-Bedampfungsanlage entwickelt worden, die es er­ möglicht, die zu beschichtenden Substrate mit Hilfe von Trans­ portwagen und an diesen befindlichen Aufnahmevorrichtungen im Durchlaufprinzip durch die Bedampfungsanlage zu transportie­ ren. Eine solche Bedampfungsanlage geht aus der DE 195 37 092 C1 hervor. Der Kern dieser Anlage besteht darin, daß die ther­ misch hoch belasteten Kammern durch eine Trennwand mit einem Schlitz in zwei Kammerteile aufgeteilt werden. Hierdurch wird der Heiz- bzw. Beschichtungsraum von dem Raum für das Trans­ portsystem des Substratwagens thermisch entkoppelt. Zur Küh­ lung des Transportwagens ist dieser in jeder Arbeitsposition über ein leckfreies Andocksystem mit einem äußeren Kühlkreis­ lauf gekoppelt. Durch dem Wegfall der Chargierstange ist es möglich, daß jede Kammer mit einem Transportwagen bestückt sein kann.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein in-line- Behandlungsverfahren für thermisch hoch belastete Substrate in Form von Stückgut in Elektronenstrahl-Bedampfungsanlagen zu schaffen, mit dem eine wesentliche Erhöhung der Produktivität erreicht wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Transporteinheit mit dem an der Substrathalterung befind­ lichen Substrat nach dem Durchlaufbetrieb taktweise von Kammer zu Kammer transportiert wird, daß die Transporteinheit während der Verweilzeit in einer Kammer über ein an sich bekanntes leckfreies Andocksystem mit einer Medienversorgung für Kühl- und Steuermedien verbunden ist, daß die Transporteinheit kurz­ zeitig von der Medienversorgung abgekoppelt und während dieser Zeit mit maximaler Geschwindigkeit zur jeweils nächsten Kammer transportiert wird und daß während des Transportes ein inter­ ner Kühlkreislauf für Teile der Transporteinheit und der Sub­ strathalterung aufrechterhalten wird.

Durch dieses Verfahren läßt sich ein äußerst effektiver Durch­ laufbetrieb erreichen, bei dem das Substrat während des Trans­ portes für kurze Zeit sich selbst überlassen wird, ohne daß Schäden für das Substrat noch für die Transporteinheit zu befürchten sind.

In Fortführung der Erfindung erfolgt die Aufrechterhaltung des internen Kühlkreislaufes durch thermische Zirkulation des Kühlmediums, wobei die Wärmekapazität der Transporteinheit ausgenutzt wird. Der Kühlkreislauf kann in der Transportein­ heit auch durch eine Kühlmittelpumpe aufrechterhalten werden, wobei die Energieversorgung der Kühlmittelpumpe aus einem Energiespeicher in der Transporteinheit oder von außen über Schleifkontakte an der Transporteinheit in Verbindung mit Stromschienen erfolgen kann.

Als Kühlmittel wird bevorzugt Öl geringen Dampfdrucks oder auch Wasser verwendet.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Verbindung der Transporteinheit mit der Medien­ versorgung durch Andocken und anschließendes Ankoppeln der Medienversorgung, wobei das Ankoppeln der Medienversorgung außerhalb des Prozeßvakuums unter einer Sonderatmosphäre er­ folgt, die Luft sein kann. Damit wird eine Verunreinigung der Prozeßatmosphäre durch Öl oder Wasser mit Sicherheit verhin­ dert.

Die Aufheizung der Substrate auf die Behandlungstemperatur erfolgt bevorzugt durch Strahlungsheizung, oder auch durch eine Elektroheizung.

Es ist von Vorteil, wenn die Heizung für das Substrat ent­ sprechend der zunehmenden Strahlungsenergie der Sekundärstrah­ lungsquellen während der Bedampfung in der Bedampfungskammer verringert wird. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn größere Losgrößen von Substraten nacheinander beschichtet werden sollen, so daß die Sekundärstrahlungsquellen zunehmend mehr Wärmeenergie abstrahlen. Die Temperatur der zu be­ schichtenden Substrate kann auf diese einfache Weise konstant gehalten werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren für thermisch hoch belastete Substrate soll bei einer Elektronenstrahl-Be­ dampfungsanlage eingesetzt werden, wie sie aus der DE 195 37 092 C1 hervorgeht.

Diese Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage besteht aus einer Schleusenkammer, der sich eine Heizkammer anschließt. Nach der Heizkammer ist in linearer Anordnung eine ebenfalls Bedamp­ fungskammer angeordnet, der sich eine Abkühlkammer/Ausgabe­ schleuse anschließt. Zwischen den einzelnen Kammern befinden sich Durchgangsventile. Die Heizung der Substrate auf die Behandlungstemperatur erfolgt bevorzugt durch Strahlungshei­ zung, wobei selbstverständlich auch eine elektrische Heizung möglich ist.

Die thermisch hoch belastete Heizkammer und die Bedampfungs­ kammer sind durch eine mit einem Schlitz versehene Trennwand in zwei Kammerteile aufgeteilt. Hierdurch wird der Heiz- bzw. Beschichtungsraum von dem Raum für das Transportsystem des Substratwagens thermisch entkoppelt. Zur Kühlung der Trans­ porteinheit ist diese in jeder Arbeitsposition über ein leck­ freies Andocksystem mit einem äußeren Kühlkreislauf kuppelbar.

An der Transporteinheit befinden sich Substrathalter mit dem daran befestigten Substrat, die durch den Schlitz in den Heiz- bzw. Beschichtungsraum hineinragen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nunmehr vorgesehen, daß die Transporteinheit mit dem auf der Substrathalterung befindlichen Substrat nach dem Durchlaufbetrieb taktweise von Kammer zu Kammer transportiert wird, wobei die Taktzeit haupt­ sächlich von der Behandlungszeit in der Bedampfungskammer bestimmt wird. Während der Verweilzeit in einer Kammer ist die Transporteinheit über das leckfreies Andocksystem mit einer Medienversorgung für Kühl- und Hydraulikmedien verbunden, wobei die Transporteinheit kurzzeitig von der Medienversorgung abgekoppelt und während dieser Zeit mit maximaler Ge­ schwindigkeit zur jeweils nächsten Kammer transportiert wird. Während des Transportes wird ein interner Kühlkreislauf für Teile der Transporteinheit und der Substrathalterung aufrecht­ erhalten und die Temperatur des Substrates während des Trans­ portes im wesentlichen konstant gehalten.

Das Substrat wird bei diesem Verfahren für kurze Zeit sich selbst überlassen, ohne daß Schäden für das Substrat noch für die Transporteinheit zu erwarten sind.

Die Aufrechterhaltung der Kühlkreislaufes kann im einfachsten Fall durch thermische Zirkulation des Kühlmediums erfolgen, wobei die Wärmekapazität der Transporteinheit genutzt wird.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Kühlkreislauf in der Transporteinheit durch eine Kühlmittelpumpe aufrechtzuerhal­ ten. Die Energieversorgung der Kühlmittelpumpe erfolgt dann aus einem Energiespeicher oder über Schleifkontakte an der Transporteinheit in Verbindung mit Stromschinen erfolgen.

Die Verbindung der Transporteinheit mit der Medienversorgung erfolgt durch die Schritte Andocken und anschließendes An­ koppeln der Medienversorgung unter Nutzung des eingangs be­ schriebenen leckfreien Andocksystemes. Das Ankoppeln der Me­ dienversorgung kann bei einem solchen Andocksystem außerhalb des Prozeßvakuums unter einer Sonderatmosphäre erfolgen, die auch Luft sein kann. Damit wird eine sonst mögliche Verunrei­ nigung der Atmosphäre der jeweiligen Kammer sicher ausge­ schlossen.

Da die Sekundärstrahlungsquellen in der Bedampfungskammer mit zunehmender Prozeßdauer mit zunehmender Energie strahlen, wird die Strahlungsheizung für Substrat entsprechend der zunehmen­ den Strahlungsenergie der Sekundärstrahlungsquellen verrin­ gert.

Claims (13)

1. Behandlungsverfahren für thermisch hoch belastete Sub­ strate in Elektronenstrahl-Bedampfungsanlagen, bei dem das Substrat in Form von Stückgut mit Thermo-Barriereschichten beschichtet wird, indem das Substrat nach dem Vorheizen in einer Vorheizkammer unter Vakuum bis nahezu auf die Be­ schichtungstemperatur anschließend mit Hilfe einer gekühl­ ten Transporteinheit mit zugehöriger Substrathalterung in eine Behandlungskammer überführt und dort die TBC-Schicht aus der Dampfphase im Vakuum bei hohen Temperaturen bei ggf. mehrachsiger Bewegung des Substrates durch Antrieb in der Transporteinheit aufgebracht wird, wobei die Trans­ porteinheit über Schleusen- und Vorheizkammern in eine Bedampfungskammer und von dort in eine nachfolgende Ab­ kühlkammer transportiert wird, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß die Transporteinheit mit dem auf der Substrathal­ terung befindlichen Substrat taktweise nach dem Durchlaufbetrieb von Kammer zu Kammer transportiert wird,
• - daß die Transporteinheit während der Verweilzeit in einer Kammer über ein an sich bekanntes leckfreies Andocksystem mit einer Medienversorgung für Kühl- und Steuermedien verbunden ist,
• - daß die Transporteinheit kurzzeitig von der Medien­ versorgung abgekoppelt und während dieser Zeit zur jeweils nächsten Kammer transportiert wird, und
• - daß während des Transportes ein interner Kühlkreislauf eines Kühlmittels für Teile der Transporteinheit und der Substrathalterung aufrechterhalten wird.

2. Behandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf in der Transporteinheit durch thermische Zirkulation des Kühlme­ diums aufrechterhalten wird, wobei die Wärmekapazität der Transporteinheit genutzt wird.

3. Behandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf in der Transporteinheit durch eine Kühlmittelpumpe aufrechter­ halten wird.

4. Behandlungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der Kühlmittelpumpe aus einem Energiespeicher in der Trans­ porteinheit oder von außen über Schleifkontakte an der Transporteinheit in Verbindung mit Stromschienen erfolgt.

5. Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl­ mittel Öl geringen Dampfdrucks verwendet wird.

6. Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl­ mittel Wasser verwendet wird.

7. Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindung der Transporteinheit mit der Medienversorgung durch Andocken und anschließendes Ankoppeln der Me­ dienversorgung erfolgt.

8. Behandlungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankoppeln der Medien­ versorgung über ein leckfreien Andocksystem außerhalb des Prozeßvakuums erfolgt.

9. Behandlungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankoppeln unter einer Sonderatmosphäre erfolgt.

10. Behandlungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonderatmosphäre Luft ist.

11. Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Subs­ trate durch Strahlungs- oder Elektroheizung auf die Be­ handlungstemperatur aufgeheizt werden.

12. Behandlungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Sub­ strates während der Behandlung in der Bedampfungskammer im wesentlichen konstant gehalten wird.

13. Behandlungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung für das Sub­ strat entsprechend der zunehmenden Strahlungsenergie der Sekundärstrahlungsquellen während der Bedampfung in der Bedampfungskammer verringert wird.