DE3612721C3 - Durchlauf-Kathodenzerstäubungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchlauf-Kathodenzer­ stäubungsanlage zum Beschichten eines flächenhaften transparenten Substrats mit einer nichtmetallischen Schicht, insbesondere aus einem Halbleiter oder einem Metalloxid, mit einem evakuierbaren kanalartigen Gehäuse, einer von Transportrollen gebildeten Trageinrichtung für die zu beschichtenden Substrate, wenigstens einer oberhalb des Substrats diesem gegenüber angeordneten das Beschichtungsmaterial tragenden, sich über die gesamte Breite des zu beschichtenden Substrats erstreckenden Kathode und wenigstens einer zwischen der Kathode und der Trageinrichtung angeordneten, in Sichtverbindung mit der Kathode stehenden und über die gesamte Breite des zu beschichtenden Substrats parallel zu dieser angeordneten langgestreckten Elektrode, die ein im Vergleich zur Kathode positives elektrisches Potential aufweist. Eine Durchlauf-Kathodenzerstäubungsanlage dieser Art ist beispielsweise aus der DE 34 13 587 A1 bekannt.

Durchlauf-Kathodenzerstäubungsanlagen dieser Art finden Anwendung zum Beschichten von Glasscheiben oder Kunststoffolien mit elektrisch leitenden und/oder wärmereflektierenden Schichten. In der Regel wird als eigentliche wärmereflektierende oder elektrisch leitende Schicht eine Metallschicht aufgebracht, beispielsweise aus Gold, Silber und/oder Kupfer, wobei unterhalb und oberhalb dieser Metallschicht Haftschichten und/oder Schutzschichten aufgebracht werden. Die Haft- und/oder Schutzschichten können beispielsweise aus einem Metalloxid oder einem Metallsulfid bestehen. Eine bewährte Schichtenfolge für die Beschichtung von Silikatglasscheiben besteht z.B. aus einer Zinndioxidschicht als Haftschicht, einer Silberschicht als Reflexionsschicht, einer dünnen metalloxidischen Schutzschicht und einer darauf angeordneten Entspiegelungsschicht aus Zinndioxid.

Vakuumbeschichtungsvorrichtungen der eingangs genannten Art arbeiten besonders wirtschaftlich, wenn sie nach dem Prinzip der reaktiven Kathodenzerstäubung mit Magnetfeldunterstützung arbeiten. Zum Aufbringen der Zinndioxidschichten mit Hilfe der reaktiven Magnetron-Zerstäubung werden dabei als Kathoden Zinntargets eingesetzt, und das metallische Zinn wird durch den Sauerstoff, der dem der Beschichtungskammer zugeleiteten Gas in geringen Mengen zugesetzt wird, bei dem reaktiven Prozeß oxidiert und bildet so auf dem Substrat die gewünschte Schicht aus Zinndioxid.

Vakuumbeschichtungsvorrichtungen, die nach dem Prinzip der Kathodenzerstäubung arbeiten, weisen in aller Regel zusätzliche Einrichtungen zwischen der Ka­ thode und dem zu beschichtenden Substrat auf, an denen ein von dem elektrischen Potential der Kathode unterschiedliches elektrisches Potential anliegt. Diese zusätzlichen Einrichtungen, die hier allgemein als Elektroden bezeichnet sind, haben unterschiedliche Aufgaben. So besteht zum Beispiel die Aufgabe der als Anoden bezeichneten Elektroden, die symmetrisch zu den Kathoden in deren Nähe angeordnet sind, darin, die Plasmawolke auseinanderzuziehen und zu stabilisieren. Zu diesem Zweck ist an diese Anoden ein im Verhältnis zu dem elektrischen Potential der Kathode und zu dem Potential des Metallgehäuses der Vakuumkammer positives elektrisches Potential angelegt. Die bekannten Anoden haben die Form von Rundprofilen oder Rohren. Außer den Anoden, oder unter Umständen auch anstelle der Anoden, können oberhalb des Substrats Abschirmbleche oder Blenden angeordnet sein. Die Aufgabe dieser Blenden besteht in erster Linie darin, nur den Hauptstrahl der zerstäubten Teilchen mit einer entsprechend hohen Energie auf die Substratoberfläche gelangen zu lassen und die seitlichen Anteile der Teilchenstrahlen, die eine wesentlich geringere Geschwindigkeit aufweisen, auszublenden. Auch an diese Abschirmbleche oder Blenden wird ein elektrisches Potential angelegt, das beispielsweise mit dem Massenpotential des Beschichtungsgehäuses übereinstimmen oder aber gegebenenfalls ein demgegenüber positives Potential sein kann.

Bei der Herstellung solcher Zinndioxidschichten treten ebenso wie bei der Herstellung anderer dielektrischer Schichten nach dem Verfahren der reaktiven Kathodenzerstäubung nach einiger Betriebszeit Störungen im Beschichtungsprozeß auf. Ein großer Teil dieser Störungen hat seine Ursache darin, daß sich auf den genannten Elektroden im Laufe der Zeit ebenfalls Zinndioxidschichten, oder je nach dem aufzubringenden Material andere dielektrische Schichten, bilden, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenoberfläche herabgesetzt oder gar völlig unterdrückt wird. Durch die verminderte oder fehlende Leitfähigkeit können die Elektroden ihre Funktion nicht mehr hinreichend erfüllen, was zu einem inhomogenen Plasma führt. Die Folge davon sind Unregelmäßigkeiten in den Schichten auf dem Substrat. Infolge der Ablagerungen auf den Elektroden kann es auch zu elektrischen Überschlägen und lokalen Lichtbogenentladungen kommen, wodurch die beschriebenen Schwierigkeiten weiter erhöht werden. Schließlich können die Ablagerungen auf den Elektroden auch abplatzen und auf das Substrat fallen, was eine weitere Fehlerursache bei dem Beschichtungsverfahren darstellt.

Die genannten Schwierigkeiten sind bekannt. Aus der DE 34 13 587 A1 ist es auch bekannt, diese Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden, daß durch Änderung der Zusammensetzung der Zinntargets, nämlich durch Dotierung des Zinns mit einem Metall aus den Gruppen V_a oder V_b des periodischen Systems, die Ablagerungsschichten elektrisch leitfähig gemacht werden. Diese Veränderung der Zusammensetzung der Ablagerungsschichten führt aber zu anderen Nachteilen. So ist beispielsweise die Dotierung mit Antimon eine Maßnahme, die wegen der gesundheitsschädlichen Wirkung von Antimon nicht unbedenklich ist; denn auch in diesem Fall müssen die Ablagerungsschichten, wenn auch in größeren Zeiträumen, von den Elektroden mechanisch entfernt werden, so daß die damit befaßten Personen dem gesundheitsschädlichen Staub ausgesetzt sind. In anderen Fällen ist zwar eine gesundheitsschädliche Wirkung nicht gegeben, doch werden die optischen Eigenschaften der Schichten auf dem Substrat in unerwünschter Weise beeinträchtigt, so daß der Zusatz solcher Metalle zu dem Zinntarget aus diesen Gründen nachteilig ist.

Im Hinblick auf ähnliche Schwierigkeiten ist es auch bekannt, bei einer Zerstäubungseinrichtung für Kathodenzerstäubungsanlagen mit einem Target aus dem zu zerstäubenden Material und aus einer im Randbereich des Targets angeordneten Anode mit mindestens einer offenen Nut die Öffnung der Nut in einer Seite der Anode anzuordnen, die nicht in Sichtverbindung mit dem Target steht (DE 34 27 587 A1). Bei dieser bekannten Zerstäubungseinrichtung soll der Anodenstrom dadurch konstant und störungsfrei gehalten werden, daß die aus der Kathode austretenden Elektronen über Anoden abgeführt werden, die im Sputterschatten liegen. Damit aber wird die Wirtschaftlichkeit des Betriebs der Anlage beeinträchtigt, denn zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades darf der Kathodenstrom nicht im Bereich des Sputterschattens abfließen, sondern muß unmittelbar durch den Sputter-Halbraum der Zerstäubungskammer fließen.

Schließlich ist eine Durchlauf-Kathodenzer­ stäubungsanlage bekannt (US-PS 4 031 424), die zur Beschichtung von Draht oder langgestreckten Platinen dient und eine trommelförmige, das zu beschichtende Substrat konzentrisch umgebende Kathode sowie zwei an den Trommel­ enden angeordnete Anodenringe aufweist. Die Anodenringe sind hierbei auf der zur Trommelachse bzw. zum zu beschichtenden Substrat gerichteten Fläche mit eng beabstandeten und tiefen Nuten versehen. Diese im Sputterschatten angeordneten Nuten dienen als Bariere, um sicherzustellen, daß die Basis und die Innenfläche der Nuten weitgehend verdichtungsfrei bleiben, um die für die Aufrechterhaltung des Beschichtungsbetriebs notwendige Elektronenstromableitung zu ermöglichen. Ein vergleichbarer Sachverhalt ist aus der US-PS 4 038 171 bekannt, bei der Kathode und Target getrennt und auf der der Kathode zuweisenden Fläche einer das Target umgebenden Anode Vertiefungen ausgebildet sind. Auch in einer weiteren bekannten Kathoden­ zerstäubungsanlage (US-PS 3 514 391), die in einem kanalartigen Gehäuse eine Kathode, eine dieser gegenüberliegend angeordnete Anode sowie hierzu seitlich und einander gegenüberliegend angeordnet ein Target und das zu beschichtende Substrat aufweist, ist die Anode mit Rippen versehen, die bestimmte Bereiche der Anodenfläche gegen Zutritt von Beschichtungsmaterial schützen sollen.

Diesen Anodenausbildungen ist gemeinsam, daß diese Rippen oder Vertiefungen im Sputterschatten ausgebildet sein sollen, um für die Elektrodenstromableitung wirksame Anodenflächen möglichst lange zur Verfügung zu stellen. Die Praxis zeigt allerdings, daß diese Maßnahmen nicht aus­ reichen, um über eine gewünscht lange Betriebszeit einen für die Beschichtung maßgeblichen hohen Anodenstrom über die gesamte Anode zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchlauf-Kathodenzerstäubungsanlage zu schaffen, die die durch Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit der Oberfläche der bei der reaktiven Kathodenzerstäubung in der Zerstäubungskammer in Sichtverbindung mit der Kathode angeordneten Elektroden infolge Ablagerung dielektrischer Schichten auftretenden Störungen und Schwierigkeiten bei der Durchführung des Beschichtungsverfahrens auf eine Weite ausschaltet, daß we­ der der Anteil an gesundheitsschädlichen Stoffen erhöht wird noch eine Beeinträchtigung der Eigenschaften der Schichten auf dem Substrat erfolgt, noch der Wirkungsgrad der Anlage beeinträchtigt wird.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der Teilchenstrom insgesamt sich auf eine wesentlich größere Oberfläche verteilt, so daß die Ablagerungsschichten bei gleicher Gesamtmenge des abgeschiedenen Materials entsprechend der Oberflächenvergrößerung wesentlich dünner sind. Dadurch wird die elektrisch isolierende Wirkung der Ablagerungsschichten entsprechend verzögert, und die Standzeit der Elektroden bis zur Reinigung erhöht sich entsprechend.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst. Bei entsprechend dieser Ausführungsform ausgebildeten Elektroden kann also ohne Unterbrechung des Beschichtungsbetriebs die durch die Ablagerungen inaktiv gewordene Elektrodenoberfläche innerhalb der Vakuumkammer durch eine neue, aktive Elektrodenoberfläche ersetzt werden.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele für die beiden erfindungsgemäßen Lösungsvorschläge anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei ihre Anwendung bei einer Durchlaufanlage für die Beschichtung von Glasscheiben dargestellt ist.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Beschichtungskammer einer Durchlauf-Kathodenzerstäubungsanlage, in einer perspektivischen Ausschnittszeichnung;

Fig. 2 eine anspruchsgemäße Ausführungsform für eine Anode mit vergrößerter Oberfläche;

Fig. 3 eine Ausführungsform für eine Blende, bei der die aktive Oberfläche durch ein aufrollbares Metallband gebildet wird, und

Fig. 4 eine Ausführungsform für eine Anode, bei der durch Drehung der Anode die aktive Oberfläche durch eine neue ersetzt wird.

In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Beschichtungskammer innerhalb einer Durchlauf- Kathodenzerstäubungsanlage mit ihren wesentlichen Bestandteilen dargestellt. Die Anlage besteht aus einem vakuumdichten kanalartigen Gehäuse 1 von stabiler mechanischer Konstruktion, durch das die zu beschichtenden Substrate, beispielsweise Glasscheiben 2, auf einer durch Transportrollen 3 gebildeten Transportbahn hindurchgeführt werden. Vor und hinter den eigentlichen Beschichtungskammern sind jeweils Schleusenkammern angeordnet, die dazu dienen, die zu beschichtenden Substrate in die unter Hochvakuum stehende Anlage einzuschleusen bzw. nach der Beschichtung die Substrate wieder aus der Anlage auszuschleusen. Der eigentliche Beschichtungsteil der Anlage weist mehrere hintereinander angeordnete Beschichtungskammern auf, beispielsweise vier Beschichtungskammern, wenn eine Schichtenfolge aus vier Schichten aufgebracht werden soll. Jede Beschichtungskammer hat grundsätzlich den gleichen Aufbau.

In der Beschichtungskammer ist den Transportrollen 3 gegenüber parallel zu diesen eine langgestreckte Kathode 4 angeordnet, die sich über die ganze Breite der Anlage bzw. des zu beschichtenden Substrats erstreckt. An der Unterseite der Kathode 4 ist das sogenannte Target 5 befestigt, das aus dem Material besteht, das durch die Kathodenzerstäubung auf das Substrat aufgetragen werden soll. An der Kathode bzw. dem Target liegt eine negative Spannung von beispielsweise 400 V an, während das Gehäuse 1 Massepotential hat. Durch nicht dargestellte Rohrleitungen werden geringe Mengen an Gas, beispielsweise Argon, in die Beschichtungskammer eingeführt. Die Gasmoleküle werden in dem elektrischen Feld ionisiert, treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Targetoberfläche auf und schlagen dort Metallatome aus der Targetoberfläche heraus, die als negativ geladene Teilchen eine Plasmawolke bilden und in Richtung der Teile mit Massepotential oder mit einem positiven Spannungspotential beschleunigt werden und sich auf der Substratoberfläche anlagern.

Bei der durch ein Magnetfeld unterstützten Kathodenzerstäubung wird die Beschichtungsintensität durch ein starkes Magnetfeld unterhalb der Kathode wesentlich erhöht, wobei zur Erzeugung des Magnetfeldes starke Permanentmagnete in der Kathode angeordnet sind. Der besseren Übersicht halber ist die Magnetanordnung in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Um die Stabilität der sich ausbildenden Plasmawolke zu erhöhen, und um die Plasmawolke zu verbreitern, sind seitlich unterhalb der Kathode 4 parallel und symmetrisch zu der Kathode rohrförmige Anodenkörper 8 angeordnet, an denen ein positives elektrisches Potential anliegt. Ferner sind unterhalb dieser Anodenkörper 8 in geringem Abstand über dem Substrat 2 Abschirmbleche oder Blenden 10 an den senkrechten Begrenzungswänden 11 der Beschichtungskammer angeordnet. Diese Blenden 10 haben die Aufgabe, nur den Haupt-Teilchenstrom, der mit hoher Energie im wesentlichen senkrecht auf die Substratoberfläche auftritt, passieren zu lassen und die seitlichen Anteile des Teilchenstroms abzufangen. Die Blenden 10 haben in der Regel Massepotential.

Sowohl auf den Anodenkörpern 8 als auch auf den Blenden 10 setzt sich ebenso wie auf der Substratoberfläche das Beschichtungsmaterial ab, und zwar jeweils auf dem der Kathode zugewandten Teil der Oberfläche.

Solange es sich bei dem Beschichtungsmaterial um reines Metall handelt, führen die Ablagerungen auf den Anoden 8 und auf den Blenden 10, solange diese Ablagerungen nicht abplatzen, zu keinen nennenswerten Störungen, da die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche dieser Teile voll erhalten bleibt. Wenn jedoch, wie bei der reaktiven Kathodenzerstäubung unter Einleitung von Sauerstoff in die Beschichtungskammer, die aus dem Target 5 herausgeschlagenen Metallatome, beispielsweise Zinnatome, mit dem Sauerstoff zu Zinndioxid reagieren, setzen sich auf der Anode 8 und/oder auf den Blenden 10 dielektrische Zinndioxidschichten ab. Diese führen nach einer Betriebszeit von etwa 50 Stunden dazu, daß die elektrische Leitfähigkeit der Oberflächen dieser Teile vermindert oder ganz unterdrückt wird, so daß als Folge davon die eingangs erwähnten Schwierigkeiten und Störungen des Betriebs auftreten.

Eine Möglichkeit, trotz der als solcher unvermeidlichen Ablagerung die Betriebszeit der Anlage bis zum nächsten Reinigungsintervall zu verlängern, ist eine wesentliche Vergrößerung der Oberfläche der Anoden und der Blenden durch die Anordnung von Querrippen, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt die Ausführung eines Anodenkörpers, bei dem auf dem Anodenrohr 18 lamellenartige ringförmige Scheiben 19 in axialem Abstand angeordnet sind. Auch in diesem Fall sollten die ringförmigen Scheiben 19 so dimensioniert und der gegenseitige Abstand der Scheiben so gewählt werden, daß die insgesamt wirksame Oberfläche wenigstens etwa doppelt so groß ist wie die zylindrische Oberfläche des Anodenrohres 18.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei Ausführungsformen der Erfindung in schematischen Zeichnungen dargestellt, die einen Austausch der durch Ablagerungen unbrauchbar gewordenen Oberflächen der Blenden bzw. der Anoden gegen neue, unbeschichtete Oberflächen gestatten. So ist in Fig. 3 eine Blende 20 dargestellt, bei der der Endbereich der Blende durch ein flexibles Metallband 21 abgedeckt ist. Dieses Metallband 21, beispielsweise aus federelastischem Stahl oder aus einem Metallgewebe, übernimmt die Funktion der Blende 20, so daß die Ablagerungen des dielektrischen Materials auf diesem Metallband 21 erfolgen. An den beiden Enden der Blende 20 ist das Metallband 21 jeweils zu einer Rolle 22 aufgerollt. Die Rollen 22 sind innerhalb des Vakuumbehälters der Anlage auf geeignete Weise gelagert und durch nicht dargestellte Elektromotore über entsprechende Getriebe antreibbar. Wenn sich störende Ablagerungen auf dem Metallband 21 gebildet haben, wird eine der Rollen 22 durch den Elektromotor in Drehung versetzt und dadurch der mit den Ablagerungen versehene Abschnitt des Metallbandes 21 aufgerollt, während gleichzeitig neues unbenutztes Metallband 21 von der anderen Rolle abgewickelt wird und die Funktion der Blende übernimmt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Anodenkörper, dessen Oberfläche einerseits durch auf ein Vierkantrohr 25 aufgesetzte Längsrippen 26 vergrößert ist, und der andererseits um seine Längsachse 27 verdreht werden kann. Da sich das Beschichtungsmaterial immer nur auf dem zur Kathode hin gerichteten Segment des Anodenkörpers ablagert, kann man in diesem Fall durch Drehen des Anodenkörpers um 90° die benachbarte Seite des Anodenkörpers in die zur Kathode hin gerichtete Position bringen, wodurch eine neue und unbenutzte Oberfläche der Anode in die aktive Stellung verbracht wird. Die Standzeit einer solchen Anode ist damit um ein Mehrfaches höher als die der bekannten Anoden.

Claims (4)

1. Durchlauf-Kathodenzerstäubungsanlage zum Beschichten eines flächenhaften transparenten Substrats mit einer nichtmetallischen Schicht, insbesondere aus einem Halblei­ ter oder einem Metalloxid, mit einem evakuierbaren kanalar­ tigen Gehäuse, einer von Transportrollen gebildeten Trag­ einrichtung für die zu beschichtenden Substrate, wenigstens einer oberhalb des Substrats diesem gegenüber angeordneten das Beschichtungsmaterial tragenden, sich über die gesamte Breite des zu beschichtenden Substrats erstreckenden Kathode und mit seitlich unterhalb der Kathode parallel und symmetrisch zu der Kathode sowie zwischen der Kathode und der Trageinrichtung angeordneten, in Sichtverbindung mit der Kathode stehenden und über die gesamte Breite des zu beschichtenden Substrats parallel zu dieser angeordneten langgestreckten rohrförmigen Elektrode, die ein im Vergleich zur Kathode positives elektrisches Potential auf­ weisen, wobei die dem von der Kathode (4, 5) ausgehenden Teilchenstrom ausgesetzte, in Sichtverbindung mit dem von der Kathode getragenen Beschichtungsmaterial stehende Ober­ fläche der Elektroden durch oberflächliche Erhöhungen und/oder wenigstens auf die doppelte Größe vergrößert ist, wobei die vergrößerte Oberfläche der Elek­ troden durch quer zur Längsrichtung der Elektroden auf diesen angeordneten Lamellenringe (19) gebildet ist.

2. Durchlauf-Kathodenzerstäubungsanlage zum Beschichten eines flächenhaften transparenten Substrats mit einer nichtmetallischen Schicht, insbesondere aus einem Halblei­ ter oder einem Metalloxid, mit einem evakuierbaren kanalar­ tigen Gehäuse, einer von Transportrollen gebildeten Trag­ einrichtung für die zu beschichtenden Substrate, wenigstens einer oberhalb des Substrats diesem gegenüber angeordneten das Beschichtungsmaterial tragenden, sich über die gesamte Breite des zu beschichtenden Substrats erstreckenden Kathode und mit seitlich unterhalb der Kathode parallel und symmetrisch zu der Kathode sowie zwischen der Kathode und der Trageinrichtung angeordneten, in Sichtverbindung mit der Kathode stehenden und über die gesamte Breite des zu beschichtenden Substrats parallel zu dieser angeordneten langgestreckten rohrförmigen Elektroden, die ein im Vergleich zur Kathode positives elektrisches Potential auf­ weisen, wobei die dem von der Kathode (4, 5) ausgehenden Teilchenstrom ausgesetzte Oberfläche wenigstens einer Elek­ trode (8, 10) innerhalb der evakuierten Beschichtungskammer ohne Unterbrechung des Beschichtungsbetriebs gegen eine neue, unbeschichtete Oberfläche austauschbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (25) um ihre Längsachse drehbar gelagert, und durch Drehung um die Längsachse ein unbeschichtetes Segment der Anode in die der Kathode zugewandten Richtung ver­ schwenkbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Oberfläche der Elektroden (Blenden 20) durch ein flexibles Metallband (21) gebildet wird, das auf zwei an den beiden Enden der Blende (20) drehbar gelagerten Rollen (22) aufgerollt ist, wobei der Austausch gegen eine neue, unbenutzte Oberfläche durch Aufrollen des beschichteten Teils des Bandes und gleichzeitiges Abrollen eines unbe­ schichteten Bandabschnittes erfolgt.