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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vakuumbeschichtung von Substraten mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
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Zur Vakuumbeschichtung von Substraten sind in der Praxis verschiedenartige Vorrichtungen im Einsatz. Alle haben das Ziel, auf konkrete Substrate spezifische qualitativ hochwertige Beschichtungen abzuscheiden und das mit einem möglichst geringen wirtschaftlichen Aufwand. Die vorliegende Erfindung betrifft Batch-Anlagen mit einem festen Vakuumkammerteil und zwei Türen, die derartig angebracht sind, dass jeweils eine Tür das feste Vakuumkammerteil abschließen kann, während die andere Tür geöffnet ist. In beiden Türen sind äquivalente Anordnungen zur Halterung von zu beschichtenden Substraten vorgesehen.
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Die
DE 10 2010 032 597 A1 gibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vakuumbeschichtung an, wobei die Vorrichtung als Vakuumkammer eine feste erste Teilkammer und zwei türartige zweite Teilkammern umfasst. Die erste Teilkammer weist eine Öffnung auf, die von jeweils einer der beiden zweiten Teilkammern vakuumdicht verschließbar ist. Die erste Teilkammer ist mit der Vakuumerzeugung und verschiedenen technologisch erforderlichen Einrichtungen versehen. In den beiden zweiten Teilkammern sind jeweils zwei Substratträgereinrichtungen vorgesehen und diesen zugeordnet entlang einer vertikalen Längsachse eine Verdampferbank mit daran angeordneten Verdampferelementen. Zwischen den Drehachsen der zwei oder mehr Substratträgereinrichtungen und der Verdampferbank soll ein Winkelversatz von weniger als 10
0 eingehalten werden. In der Verdampferbank sind Verdampferelemente zum thermischen Verdampfen angeordnet, z.B. geeignet eingespannte Metallfilamente oder Metallwendel mit horizontaler Symmetrieachse. Bevorzugt ist die Befüllung der Verdampferelemente mit Aluminiumdraht. Bei Erwärmung, beispielsweise als Ergebnis eines Durchleitens eines elektrischen Stroms verdampft das Metall, so dass Metalldämpfe aus dem Bereich der Verdampferbank austreten und in den umgebenden Raum diffundieren und sich auf den von den Trägerelementen gehaltenen Substraten niederschlagen.
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Die Vakuumkammer, Verdampferbank und die zugeordneten Substratträgereinrichtungen sind so ausgelegt, dass eine kurze Chargenzeit in einem Bereich zwischen vier und acht Minuten erreicht wird. Damit kann eine hohe Produktivität der Vorrichtung trotz relativ kleiner Chargen, d.h. gleichzeitig zu beschichtender Werkstücke erreicht werden.
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Verfahrensgemäß erfolgt die Vakuumbeschichtung mittels der angegebenen Vorrichtung. Es kann eine thermische Verdampfung eines metallischen Materials, insbesondere eines Materials aus zumindest einem der Mitglieder der Gruppe, wie Aluminium, Kupfer, Zinn, Zink, Chrom, Titan, Tantal, Silber, Gold, Rhodium, Palladium oder Nickel umfasst, erfolgen. Mittels einer weiteren Behandlungsquelle kann eine Behandlung der Substrate mit Hilfe eines Glimmentladungsblitzes erfolgen, mit dem insbesondere eine Vorbehandlung der Substrate vor der Beschichtung erfolgen kann. Weiter kann eine Behandlung der Substrate mit Hilfe eines Plasma-CVD-Prozesses erfolgen, insbesondere zur Aufbringung einer Top-Coat-Schicht auf metallisierte Substratoberflächen.
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Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Vakuumbeschichtung von Substraten anzugeben, mit der hochwertige Schichten auf Substraten bei relativ geringem technischen Aufwand möglich ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Vorrichtung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
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Die Erfindung umfasst eine Anlage zur Vakuumbeschichtung von Substraten mit einem festen Vakuumkammerteil mit einer Öffnung, an der seitlich gegenüberliegend zwei um eine vertikale Achse drehbare Türen angebracht sind. Jeweils eine der Türen kann die Öffnung das feste Vakuumkammerteil abschließen, während die andere Tür geöffnet ist. Die zu beschichtenden Substrate können in äquivalenten drehbaren Substrathalterungen mit vertikalen Längsachsen in den beiden Türen gehaltert werden, wobei in vorteilhafter Weise in jeder der Türen mindestens zwei Substrathalterungen vorgesehen sind.
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Erfindungsgemäß ist als Verdampfungseinrichtung mindestens ein Rohrmagnetron vorhanden, welches in dem festen Vakuumkammerteil mit einer Längsachse im Wesentlichen parallel zu den Längsachsen der Substrathalterungen angeordnet ist. Im Inneren des Rohrmagnetrons ist ein um die Längsachse drehbares Magnetsystem vorhanden, derart dass der Wirkbereich der Zerstäubung von der Targetoberfläche des Rohrmagnetrons wahlweise und/oder abwechselnd auf eine der Substrathalterungen in der jeweils geschlossenen Tür ausgerichtet werden kann.
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Im Inneren des Rohrmagnetrons können auch zwei oder mehr parallel um die Längsachse drehbare Magnetsysteme vorhanden sein, derart dass je ein Wirkbereich des von der Targetoberfläche des Rohrmagnetrons zerstäubten Materials auf eine der mindestens zwei Substrathalterungen ausgerichtet werden kann. Das kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Targetoberfläche des Rohrmagnetrons aus verschiedenen segmentartig angeordneten Materialen besteht, die alternativ schichtartig auf den Substraten abgeschieden werden sollen.
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Die zu zerstäubende Oberfläche des Rohrmagnetrons kann während eines Beschichtungszyklus feststehend oder oszillierend sein oder permanent gedreht werden.
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Insbesondere für den Fall, dass der technologische Schichtaufbau zwei oder mehr verschiedene Materialen erfordert, ist es vorteilhaft, entsprechend viele unterschiedliche Rohrmagnetrons parallel anzuordnen, wobei diese zum Zerstäuben mechanisch in die erforderliche Position gegenüber den Substrathalterungen bewegt werden müssen.
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Es kann auch vorteilhaft sein, die zu zerstäubende Targetoberfläche des Rohrmagnetrons segmentartig, z.B. in Form von zwei Halbschalen aus verschiedenen Targetmaterialien aufzubauen, wobei die Drehbewegung des Rohrmagnetrons oszillierend ausgeführt wird, derart dass jeweils nur das für den Schichtaufbau spezifische Targetmaterial zerstäubt wird.
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In der Vorrichtung können weitere technologische Einrichtungen vorgesehen sein. Vorteilhaft ist es, technische Einrichtungen zur elektrischen oder chemischen Vor- und/oder Nachbehandlung der Substrate vorzusehen. Weiterhin sind Bedampfungsschutzeinrichtungen vorteilhaft, die den Bereich der Ausbreitung des zerstäubten Targetmaterials begrenzen.
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Die Vorrichtung wird derart angewendet, dass bei einer geschlossenen Tür das um die Längsachse des Rohrmagnetrons drehbare Magnetsystem derart gedreht wird, dass der Wirkbereich der Zerstäubung wahlweise und/oder abwechselnd auf eine der Substrathalterungen ausgerichtet wird. Das Rohrmagnetron kann eine zu zerstäubende Oberfläche aus einem Metall oder Nichtmetall aufweisen.
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Das Rohrmagnetron kann auch derart ausgebildet werden, dass die zu zerstäubenden Targetoberfläche segmentartig verschiedene Targetmaterialien aufweist. Diese verschiedenen Targetmaterialen können in Kombination mit dem Magnetsystem alternativ auf die Substrathalterungen ausgerichtet und zerstäubt werden.
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Die erfindungsgemäß Vorrichtung kann in fachmännischer Weise an spezifische Beschichtungsaufgaben für konkrete Substrate angepasst werden. Insbesondere kann die Anzahl und Anordnung der Substrathalterungen sowie des Rohrmagnetrons variiert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Zugehörig zeigt 1 eine schematische horizontale Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei eine Tür geschlossen und eine Tür geöffnet ist. 2 zeigt die Vorderansicht der Vorrichtung, wobei beide Türen geöffnet sind. 3 zeigt einen Schnitt durch das Rohrmagnetron.
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Die beispielhafte Beschichtungsanlage mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 weist eine Beschichtungskammer auf, die aus einem feststehenden Vakuumkammerteil 6 und zwei um eine vertikale Achse drehbare Türen 1 und 2 besteht, wobei im Betrieb jeweils eine der Türen 1 oder 2 geschlossen und die jeweils andere Tür 1 oder 2 geöffnet ist.
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Im feststehenden Vakuumkammerteil 6 ist ein Anschluss 7 für eine Vorvakuum-Pumpeinrichtung und ein Anschluss 8 für eine Hochvakuum-Pumpeinrichtung jeweils mit Vakuumventilen (nicht dargestellt) vorgesehen. Mittels der Vakuumventile können die Pumpsysteme vom feststehenden Vakuumkammerteil 6 getrennt werden.
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Die Vorvakuum-Pumpeinrichtung wird vorzugsweise aus einer Drehschieber- und einer Wälzkolbenpumpe gebildet. In einer anderen Ausführungsform kann eine Kombination aus einer Schraubenpumpe mit einer Wälzkolbenpumpe eingesetzt werden. Das Hochvakuum-Pumpeinrichtung besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Öldiffusionspumpe, die von einer hinter dem Ventil angeordneten Kühlfalle mit einer Fläche von ca.1m2 unterstützt wird. Die Kühlfalle ist an einem entsprechenden Kryogenerator angeschlossen, um ein hohes Saugvermögen für Wasser sicherzustellen.
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Die technologische Zone der Vorrichtung befindet sich im Bereich zur Öffnung gegenüber den geschlossenen Türen 1 bzw. 2 und ist von den Pumpstutzen durch eine großflächige Bedampfungsschutzeinrichtung 9 getrennt.
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Die zu beschichtenden Substrate sind in Substrathalterungen 16, 17, 18 und 19 gehaltert, von denen die Substrathalterungen 16 und 17 in der Tür 1 und die Substrathalterungen 18 und 19 in der Tür 2 angeordnet sind. Beispielhaft weisen die Substrathalterungen 16, 17, 18 und 19 einen Hüllkreis von 540 mm auf.
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In der technologischen Zone innerhalb des feststehenden Vakuumkammerteils 6 ist an der oberen Kammerwand 10 erfindungsgemäß ein Rohrmagnetron 11 (2) vorgesehen. Das Rohrmagnetron 11 weist innen ein Magnetsystem 20 auf, welches durch einen elektrischen Antrieb bewegt werden kann. Bezogen auf den System-Mittelpunkt 15 (1) können durch Drehen des Magnetsystems 20 verschiedene Zerstäubungspositionen 12, 13 und 14 (3) eingestellt werden. Zwischen der Bedampfungsschutzeinrichtung 9 und dem Rohrmagnetron 11 ist ein wassergekühltes Blech 3 angeordnet.
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Zur Beschichtung der Substrate ist jeweils eine der Türen 1 oder 2 an die Öffnung des feststehenden Vakuumkammerteils 6 angelegt, so dass eine vakuumdicht verschlossene Beschichtungskammer ausgebildet ist. Die Substrathalterungen 16 und 17 bzw. 18 und 19 befinden sich dann in einem für die Kathodenzerstäubung typischen Abstand zur Targetoberfläche eines neuen Targets des Rohrmagnetrons 11 von je 70 bis 130 mm bevorzugt 90 mm.
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In 3 ist dargestellt wie das Magnetsystem 20 des Rohrmagnetron 11 (äquivalente Position zu 1 – Tür 1 ist geschlossen) verstellt werden kann. Im Beispiel sind drei Positionen des Magnetsystems 20 und damit entsprechende Zerstäubungsbereiche vorgesehen. In der Zerstäubungspositionen 12 kann ein Vorstäuben der Targetoberfläche des Rohrmagnetrons 11 erfolgen. Dabei wird das wassergekühlte Blech 3 bedampft.
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In der Zerstäubungspositionen 13 ist das Magnetsystems 20 und damit der Zerstäubungsbereich auf die Substrathalterung 16 ausgerichtet und in der Zerstäubungspositionen 14 auf die Substrathalterung 17. Wenn die Tür 1 geöffnet und die Tür 2 geschlossen ist, dann ist die Zerstäubungspositionen 13 auf die Substrathalterung 18 und in der Zerstäubungspositionen 14 auf die Substrathalterung 19 ausgerichtet.
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In der technologischen Zone im feststehenden Vakuumkammerteil 6 sind vor der Bedampfungsschutzeinrichtung 9 vier schnell wechselbare Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d angeordnet mit deren Hilfe Glimmentladungsplasmen gezündet werden können. Dabei besteht jedes Elektrodenpaar aus einer Elektrode 5a und 5c und einer Gegenelektrode 5b und 5d. Die Anordnung der Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d erfolgt derart, dass das Paar Elektroden 5a und 5b den Substrathalterungen 16 oder 18 und das Paar Elektroden 5c und 5d den Substrathalterungen 17 oder 19 in den Türen 1 bzw. 2 zugeordnet ist. Damit ist das von den jeweiligen Paar Elektroden 5a und 5b bzw. 5c und 5d erzeugte Plasma spezifisch auf die entsprechenden Substrathalterungen wirksam. Die Anregung der Glimmentladung erfolgt mittels Mittelfrequenz (20 kHz bis 350 kHz), wobei der Arbeitspunkt bei ca. 40 kHz liegt.
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In der Nähe der Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d befinden sich Gaseinlässe 4a und 4b. Über diese Gaseinlässe 4a und 4b können Prozessgase wie Argon, Stickstoff, Sauerstoff oder das Monomer Hexamethyldisiloxan (HMDS) in die Beschichtungskammer eingelassen werden. Damit lassen sich verschiedene technologische Vor- und/oder Nachbehandlungs-Prozesse (Glimmen und Plasmapolymerschicht) realisieren, die auf einer Glimmentladung basieren.
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Nachfolgend wird die Vorrichtung in seiner Anwendung näher beschrieben. Beispielhaft sollen als Substrate Kunststoffreflektoren aus PC, PEI, PES, BMC, LPP oder Mischungen dieser Materialien mit Aluminium beschichtet werden. Die Substrate werden auf den Substrathalterungen 16, 17, 18 und 19 in den Türen 1 bzw 2 befestigt.
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Die Tür 1 wird geschlossen, so dass sich die Substrate in einer vakuumdicht verschlossenen Beschichtungskammer bestehend aus dem feststehenden Vakuumkammerteil 6 und der Tür 1 befinden.
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Mit der Vorvakuum-Pumpeinrichtung am Anschluss 7 wird die Beschichtungskammer bis zu einem Druck im Bereich von 5 × 10–2 mbar bis 1 × 10–1 mbar bevorzugt 8 × 10–2 mbar evakuiert. Anschließend erfolgt mit der Hochvakuum-Pumpeinrichtung am Anschluss 8 eine weitere Evakuierung der Beschichtungskammer auf einen Druck ≤ 5 × 10–4 mbar.
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In der Folge werden die Substrate einer Substratvorbehandlung in einem Glimmprozess mit Stickstoff, Argon oder Luft als Prozessgas unterzogen. Dabei werden die Substrathalterungen 16 und 17 zur Sicherung einer gleichmäßigen Behandlung in Rotation versetzt. Die Geschwindigkeit kann von 5 bis 50 1/min (Umdrehungen pro Minute) variiert werden. Bevorzugt wird mit 30 1/min gearbeitet.
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Der Glimmprozess wird typischer Weise im Bereich von 1 × 10–2 mbar bis 6 × 10–2 mbar bevorzugt 4 × 10–2 mbar durchgeführt. Die beiden Elektrodenpaare Elektrode 5a und 5b sowie 5c und 5d werden mit einer Mittelfrequenzentladung bei ca. 40 kHz betrieben. Die typischen Behandlungszeiten liegen im Bereich von 1 s bis 60 s, vorzugsweise 30 s. Dabei wirkt eine Leistung von 10 kW.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Plasmapolymerschicht als Sperrschicht oder Haftvermittlerschicht abgeschieden werden. Die Prozessführung erfolgt wie beim Glimmprozess jedoch wird das Vakuum nur mit der Vorvakuum-Pumpeinrichtung am Anschluss 7 erzeugt und als Prozessgas wird ein Monomer, z.B. HMDS eingelassen.
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Nach Abschluss der Vorbehandlung erfolgt die weitere Evakuierung der Beschichtungsanlage bis ein erforderlicher Startdruck ≤ 4 × 10–4 mbar erreicht ist. Danach wird das Prozessgas Argon eingelassen, um einen Arbeitsdruck im Bereich von 1 × 10–3 mbar bis 8 × 10–3 mbar bevorzugt 3 × 10–3 mbar zu realisieren. Die Substrathalterungen 16 und 17 drehen mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 30 bis 50 1/min bevorzugt mit 40 1/min.
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Das Magnetfeld des Magnetsystems 20 im Rohrmagnetron 11 wird auf die Zerstäubungspositionen 12 (Vorstäuben) gedreht. In dieser Position wird die Leistung der Stromquelle des Rohrmagnetrons 11 zugeschaltet und innerhalb von einigen 10 s (bevorzugt 20 s) auf den Sollwert hochgefahren und mit konstanter Leistung betrieben.
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Im Beispiel wird das Rohrmagnetron 11 automatisch ca. 15 s vor dem Start in Drehung versetzt, wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Targetoberfläche des Rohrmagnetrons 11 im Bereich von 5 bis 60 1/min, bevorzugt bei 15 1/min liegt.
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Anschließend wird das Magnetsystem 20 im Rohrmagnetron 11 auf die Zerstäubungspositionen 13 und die Substrathalterung 16 bewegt. Die Leistung des Rohrmagnetrons 11 wird so gewählt, dass für Aluminium am Hüllkreis der Substrathalterung 16 eine gemessene Beschichtungsrate im Bereich von 100 bis 600 nm/min, bevorzugt 300 nm/min erzielt wird.
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Als erstes werden die Substrate auf der Substrathalterung 16 beschichtet. Die Beschichtungszeit liegt im Bereich von 15 s bis 60 s, bevorzugt bei 30 s. Im Anschluss wird das Magnetsystem 20 im Rohrmagnetron 11 auf die Zerstäubungspositionen 14 und die Substrathalterung 17 bewegt. Die Beschichtung der Substrate auf der Substrathalterung erfolgt in äquivalenter Weise.
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Im Anschluss an die Beschichtung der Substrate mit Aluminium erfolgt die Abscheidung einer Plasmapolymerschicht aus HMDS. Typische Prozesszeiten liegen dabei im Bereich von 20 s bis 60 s. In dieser Zeit wird eine Schichtdicke von 20 bis 60 nm abgeschieden, bevorzugt 40 nm.
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Der Gesamtprozess endet nach 7 bis 10 min mit dem Belüften der Beschichtungskammer und dem Öffnen der Tür 1.
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Während der Beschichtung der Substrate auf den Substrathalterungen 16 und 17 in Tür 1 wurden die Substrathalterungen 18 und 19 in der Tür 2 mit Substraten bestückt. Somit kann in der Folge die Tür 2 geschlossen werden und die Substrate auf den Substrathalterungen 18 und 19 können in entsprechender Weise beschichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tür
- 2
- Tür
- 3
- wassergekühltes Blech
- 4a und 4b
- Gaseinlass
- 5a bis 5d
- Elektroden
- 6
- feststehendes Vakuumkammerteil
- 7
- Anschluss
- 8
- Anschluss
- 9
- Bedampfungsschutzeinrichtung
- 10
- oberen Kammerwand
- 11
- Rohrmagnetron
- 12 bis 14
- Zerstäubungspositionen des Magnetsystems
- 15
- System-Mittelpunkt
- 16 bis 19
- Substrathalterung
- 20
- Magnetsystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010032597 A1 [0003]
