DE4418906A1 - Verfahren zum Beschichten eines Substrates und Beschichtungsanlage zu seiner Durchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mittels einer Zerstäuberkathode, welche vor einem Magneten einen Targetträger mit einem Target aufweist, bei dem der Targetträger mit einem Teilbereich in eine Sputterkammer zum Beschichten des Substrates und mit einem anderen Teilbereich in eine Targetträger-Be­ schichtungskammer hineinragt und bei dem man den Target­ träger rotieren läßt, so daß seine in der Targetträger- Beschichtungskammer beschichtete Fläche kontinuierlich die Sputterkammer durchläuft. Weiterhin betrifft die Er­ findung eine Beschichtungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren der vorstehenden Art ist Gegenstand des eu­ ropäischen Patentes 0 291 044. Die in dieser Schrift be­ schriebene Beschichtungsanlage hat als Targetträger und Target ein als flache Kreisscheibe ausgebildetes, um eine senkrechte Achse rotierendes Bauteil, welches mit einer Hälfte in eine Sputterkammer und mit seiner anderen Hälfte in eine Targetträger-Beschichtungskammer ragt. In der Sputterkammer ist unterhalb des Targets eine Magnet­ anordnung vorgesehen, so daß dort eine Magnetronkathode gebildet wird und durch Sputtern eine großflächige Folie wirtschaftlich beschichtet werden kann. Um die Beschaf­ fenheit des Schichtsystems trotz Verwendung ein und des­ selben Targets beeinflussen zu können, sind in der Tar­ getträger-Beschichtungskammer zwei weitere Targets an­ geordnet, denen jeweils eine Ionenquelle zugeordnet ist. Das ermöglicht es, in der Targetträger-Beschichtungskam­ mer auf dem Haupttarget zusätzliches Targetmaterial auf­ zusputtern, um in der Sputterkammer dieses Material zu­ sammen mit dem Material des als Scheibe ausgebildeten Haupttargets zu zerstäuben. Alternativ lehrt die EP-C-0 291 044, in der Targetträger-Beschichtungskammer einen Metallstab anzuordnen, dessen Material zur Erzeugung einer Schicht auf dem Haupttarget verdampft werden kann.

Das Sputterverfahren ermöglicht es als einziges Beschich­ tungsverfahren, auf großen Flächen wirtschaftlich brauch­ bare Schichten zu erzeugen. Nur mit diesem Verfahren kann man die bei Interferenzsystemen erforderliche Schicht­ gleichmäßigkeit auf großen Flächen gewährleisten. Aus diesem Grunde werden Schichtsysteme für Architekturglas beinahe ausschließlich mit Sputtertechnik produziert.

Das Sputterverfahren hat jedoch auch gravierende Nach­ teile gegenüber anderen Beschichtungsverfahren, insbeson­ dere dem thermischen und dem chemischen Aufdampfen, dem Lichtbogenaufdampfen und dem Elektronenstrahlaufdampfen. Diese Nachteile des Sputterverfahrens sind insbesondere der hohe Targetpreis, die kurze Standzeit des Targets und die geringe Targetausnutzung. Der hohe Targetpreis ergibt sich aus den Materialkosten, den Herstellungskosten und den Bondkosten. In vielen Fällen sind die Herstellungsko­ sten und die Bondkosten wesentlich höher als die Materi­ alkosten. Die Standzeit eines Planartargets beträgt bei den heutigen Sputterraten etwa zwei Wochen. Das hat zur Folge, daß Sputteranlagen in Abständen von zwei Wochen stillgesetzt und belüftet werden müssen, damit das Target ausgewechselt werden kann. Eine Erhöhung der Sputterraten würde die Zeiträume bis zum Auswechseln des Targets ver­ kürzen und deshalb kaum zu einer Erhöhung der Wirtschaft­ lichkeit beitragen. Die Targetausnutzung beträgt derzeit bei Planarmagnetronkathoden etwa 25 bis 30%. Bei Rohrka­ thoden sind in der Praxis 70% Targetausnutzung zu errei­ chen.

Die vorgenannten Nachteile des Sputterverfahrens sind auch bei der Beschichtungsanlage nach der eingangs ge­ nannten EP-C-0 291 044 vorhanden. Die Anlage ist in re­ gelmäßigen Abständen stillzusetzen, um den kreisscheiben­ förmigen, rotierenden Targetträger mit dem Target in der Sputterkammer und die zusätzlichen Targets in der Target­ träger-Beschichtungskammer gegen neue Targets oder den dort angeordneten Metallstab auszutauschen. Deshalb ist ein kontinuierliches Beschichten nur während eines rela­ tiv kurzen Zeitraumes möglich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Beschich­ tungsverfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die hierzu erforderliche Anlage möglichst lange unun­ terbrochen in Betrieb bleiben kann. Weiterhin soll eine Beschichtungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens entwickelt werden.

Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß das Aufbringen des Targetmaterials auf den Tar­ getträger in der Targetträger-Beschichtungskammer durch Beschichtung mittels eines kontinuierlich von außerhalb in die Targetträger-Beschichtungskammer eingeführten Quellenmaterials erfolgt und ausschließlich diese Be­ schichtung des Targetträgers als Target in der Sputter­ kammer verwendet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Target in der Anlage durch Beschichtung kontinuierlich erzeugt. Es wird immer das Target zerstäubt, welches unmittelbar zu­ vor erzeugt wurde. Das Aufbringen der das Target bilden­ den Schicht kann mit bekannten Verfahren sehr wirtschaft­ lich mit geringerer Energie als beim Sputtern und hohen Beschichtungsraten erfolgen. Da gemäß dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren die auf der Elektrode erzeugte Schicht je­ doch anschließend kathodenzerstäubt wird, um auf das Sub­ strat zu gelangen, tritt der Nachteil einer ungleichför­ migen Schichtdicke bei Targetbeschichtung auf großflächi­ gen Substraten nicht in Erscheinung. Dank der Erfindung wird es somit möglich, große Flächen sehr gleichmäßig mit hoher Wirtschaftlichkeit und sehr langen, ununterbroche­ nen Nutzungszeiten der Anlage zu erzeugen. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren vereint die Vorteile des Sputterns und der anderen Methoden der Schichtherstellung, ohne die jeweiligen Nachteile der Beschichtungsverfahren zu über­ nehmen.

Besonders wirtschaftlich arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Beschichtung des Targetträgers durch chemisches Aufdampfen mit Plasma-Unterstützung (PCVD) er­ folgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit besonders geringem apparativen Aufwand auszuführen, wenn für das Sputtern und das Beschichten des Targetträgers eine gemeinsame Strom-Spannungsversorgung benutzt wird.

Die auf dem Targetträger erzeugte Schicht kann vor ihrem Eintritt in die Sputterkammer durch eine chemische Reak­ tion in eine für das Sputtern optimale Form umgewandelt werden, wenn gemäß einer anderen, besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der in der Targetträger-Be­ schichtungskammer beschichtete Bereich des Targetträgers vor dem Eintritt in die Sputterkammer durch eine Reakti­ onskammer zur chemischen Behandlung der Beschichtung ge­ führt wird. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, beim Sputtern von elektrisch leitenden In₂O₃-Schichten, dotiert mit Sn (ITO) das aufgebrachte, metallische Indium und Zinn teilweise zu oxidieren, indem man in die Reakti­ onskammer Sauerstoff eingibt. Durch das Sputtern mit einem oxidischen Target ergeben sich oftmals bessere Schichteigenschaften als durch Sputtern mit metallischem Target. Weiterhin ist ein Metalltarget viel billiger als ein Oxidtarget.

Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung einer Beschichtungsanlage zur Durchführung des Verfahrens, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Targetträger-Be­ schichtungskammer zum Aufbringen des Targets auf den Tar­ getträger mittels eines kontinuierlich von außerhalb in die Targetträger-Beschichtungskammer eingeführten Quel­ lenmaterials und die Sputterkammer zum ausschließlichen Sputtern dieses Targets ausgebildet ist.

Mit einer solchen Anlage kann man großflächige Substrate sehr gleichmäßig und mit hohen Beschichtungsraten be­ schichten, ohne daß die Anlage in regelmäßigen Abständen stillgesetzt werden muß, um ein verbrauchtes Target aus­ zuwechseln. Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage nutzt die Vorteile des Sputterns und der anderen Schicht­ herstellungsmethoden, vermeidet aber die jeweiligen Nach­ teile der Beschichtungsverfahren.

Besonders einfach und leistungsfähig ist die Beschich­ tungsanlage ausgebildet, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Targetträger-Beschichtungskammer zum Beschichten durch chemisches Aufdampfen mit Plasma-Unter­ stützung (PCVD) ausgebildet ist.

Die das Target bildende Schicht auf dem Targetträger kann vor ihrem Eintritt in die Sputterkammer chemisch verän­ dert und deshalb für die durch die Kathodenzerstäubung produzierte Schicht optimiert werden, wenn zwischen der Targetträger-Beschichtungskammer und der Sputterkammer eine Reaktionskammer zur chemischen Behandlung des durch Beschichtung erzeugten Targets auf dem Targetträger vor Eintritt in die Sputterkammer angeordnet ist.

Wichtig für die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage ist es, daß der Targetträger mit seiner Fläche kontinuierlich die Targetträger-Beschichtungskammer und die Sputterkam­ mer durchläuft. Hierzu kann er unterschiedlich gestaltet sein und beispielsweise die Form einer Scheibe haben, wie das in der eingangs genannten EP-C-0 291 044 gezeigt ist. Besonders vorteilhaft für großflächige Substrate ist die Beschichtungsanlage ausgebildet, wenn der Targetträger als Rohrkörper ausgebildet ist und in ihm zueinander ge­ genüberliegend zwei separate Magnete angeordnet sind, welche geschlossene Magnetschläuche bilden und von denen ein Magnet der Sputterkammer und der andere der Target­ träger-Beschichtungskammer zugewandt ist. Hierbei ist das Magnetfeld für die Unterstützung des PCVD-Verfahrens so auszuwählen, daß eine optimale Rate der Beschichtung des Targetträgers gewährleistet wird.

Ein Sputtern in der Targetträger-Beschichtungskammer kann auf einfache Weise dadurch verhindert werden, daß der Ma­ gnet der Sputterkammer eine wesentlich höhere Feldstärke hat als der andere Magnet.

Beim Sputtern wird Material auf den Bögen des sich im Target bildenden Grabens stärker als im Bereich der Gera­ den abgetragen, weil auf den Bögen der Grabenverlauf teilweise senkrecht zur Kathodenachse verläuft. Dieser Effekt kann beim Aufbringen des Targets in der Targetträ­ ger-Beschichtungskammer dadurch kompensiert werden, daß die beiden Magnete übereinstimmend ausgebildet sind, so daß von der Form her gleiche Magnetfelder entstehen. Hierdurch wird in der Elektrodenbeschichtungskammer im Bereich der Bögen mehr Material aufgetragen.

Der Sputtervorgang und das Targetaufbringen können ein­ zeln optimal durchgeführt werden, wenn in der Sputter­ kammer und der Targetträger-Beschichtungskammer jeweils eine Anode angeordnet ist und beide Anoden unabhängig voneinander und unterschiedlich mit positivem Potential verbunden sind.

Da in der Sputterkammer und der Targetträger-Beschich­ tungskammer unterschiedliche Verfahren ablaufen, sind auch die Gasatmosphären beider Kammern verschieden, so daß ein Gasübertritt vermieden werden muß. Das kann man auf einfache Weise dadurch erreichen, daß an beiden Sei­ ten der Targetträger-Beschichtungskammer jeweils zwischen ihr und der Sputterkammer eine mit einer Vakuumpumpe ver­ bundene Schleusenkammer vorgesehen ist.

Eine chemische Behandlung der aufgebrachten, das Target bildenden Beschichtung vor ihrem Eintritt in die Sputter­ kammer wird dadurch möglich, daß die in Drehrichtung des Targetträgers liegende Schleusenkammer zugleich die Reak­ tionskammer bildet.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine da­ von schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Be­ schichtungsanlage nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Außenseite eines Magneten der Beschichtungsanlage.

Die in Fig. 1 gezeigte Beschichtungsanlage hat in einem Gehäuse 1 einen rohrförmigen Targetträger 2, welcher je­ weils mit einem Teil seiner Außenmantelfläche eine Sput­ terkammer 3 und eine ihm gegenüberliegend angeordnete Targetträger-Beschichtungskammer 4 begrenzt. Kleinere Teilbereiche der Außenmantelfläche des Targetträgers 2 begrenzen zwei Schleusenkammern 5, 6 zu beiden Seiten der Targetträger-Beschichtungskammer 4. Die Schleusenkammer 5 hat einen Gaseinlaß 7, über den ein Reaktionsgas zuge­ führt werden kann, so daß die Schleusenkammer 5 zugleich eine Reaktionskammer 8 bildet. Die Sputterkammer 3, die Targetträger-Beschichtungskammer 4 und auch die beiden Schleusenkammern 5, 6 sind über Auslässe 9, 10, 11, 12 mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe verbunden.

Im Inneren des Targetträgers 2 sind einander gegenüber­ liegend zwei sich über die Länge des Targetträgers 2 er­ streckende Magnete 13, 14 übereinstimmender Form angeord­ net. Wie für den Magneten 13 durch Positionszahlen ver­ deutlicht wurde, haben beide Magnete 13, 14 zum Target­ träger 2 hin gerichtete Stege 15, 16, 17, von denen die äußeren Stege 15 und 17 an ihren Enden miteinander ver­ bunden sind. Die äußeren Stege 15, 17 sind dabei so ma­ gnetisiert, daß sie zum Targetträger 2 hin mit entgegen­ gesetztem magnetischen Pol weisen als der dazwischenlie­ gende Steg 16.

In der Sputterkammer 3 ist eine Anode 18 angeordnet, wel­ che über einen Widerstand 19 mit Masse Verbindung hat. Weiterhin hat die Sputterkammer 3 Reaktionsgaseinlässe 20, 21. Dargestellt ist in der Sputterkammer 3 desweite­ ren ein zu beschichtendes Substrat 22.

Der Targetträger 2 ist mit dem negativen Pol einer Strom- Spannungsversorgung 23 verbunden. Weiterhin ist er um eine in ihre Längsrichtung verlaufende Achse 24 drehbar angeordnet und rotiert beim Arbeiten der Beschichtungsan­ lage entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn. Die Stärken der Magnete 13 und 14 werden so gewählt, daß es in der Sput­ terkammer 3 zu einer Zerstäubung eines auf dem Targetträ­ ger 2 aufgebrachten Targets 25, nicht jedoch zu einem Sputtern in der Targetträger-Beschichtungskammer 4 kommt.

Die Targetträger-Beschichtungskammer 4 hat zwei Gasein­ lässe 26, 27, über die das das Target 25 bildende Mate­ rial mittels eines Trägergases kontinuierlich zugeführt wird. Dadurch läuft in der Targetträger-Beschichtungs­ kammer 4 ein übliches chemisches Aufdampfverfahren mit Plasmaunterstützung (PCVD) ab. Hierzu ist in der Target­ träger-Beschichtungskammer 4 eine Anode 28 angeordnet, welche über einen Widerstand 29 mit der Masse Verbindung hat. Durch die Drehung des Targetträgers 2 gelangt die das Target 25 bildende Beschichtung aus der Targetträger- Beschichtungskammer 4 zunächst in die Reaktionskammer 8, wo sie durch Zufuhr von Reaktionsgas (beispielsweise Sau­ erstoff) über den Gaseinlaß 7 chemisch vorbehandelt (oxi­ diert). Erst danach gelangt das Target 25 in die Sputter­ kammer 3, wo es auf übliche Weise durch Kathodenzerstäu­ bung von dem Targetträger 2 abgetragen wird.

Die in Drehrichtung sich anschließende Schleusenkammer 5 verhindert, daß Gas aus der Sputterkammer 3 in die Tar­ getträger-Beschichtungskammer 4 gelangen kann.

Die Fig. 2 läßt die Gestaltung des Magneten 13 erkennen. Zu sehen ist, daß die Stege 15, 17 an ihren Enden jeweils durch einen Bogen miteinander verbunden sind und der Steg 16 zwischen den Stegen 15, 17 verläuft.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Targetträger
3 Sputterkammer
4 Targetträger-Beschichtungskammer
5 Schleusenkammer
6 Schleusenkammer
7 Gaseinlaß
8 Reaktionskammer
9 Auslaß
10 Auslaß
11 Auslaß
12 Auslaß
13 Magnet
14 Magnet
15 Steg
16 Steg
17 Steg
18 Anode
19 Widerstand
20 Reaktionsgaseinlaß
21 Reaktionsgaseinlaß
22 Substrat
23 Strom-Spannungsversorgung
24 Achse
25 Target
26 Gaseinlaß
27 Gaseinlaß
28 Anode
29 Widerstand
30 Bogen
31 Bogen

Claims (13)

1. Verfahren zum Beschichten eines Substrates mittels ei­ ner Zerstäuberkathode, welche vor einem Magneten einen Targetträger mit einem Target aufweist, bei dem der Tar­ getträger mit einem Teilbereich in eine Sputterkammer zum Beschichten des Substrates und mit einem anderen Teilbe­ reich in eine Targetträger-Beschichtungskammer hineinragt und bei dem man den Targetträger rotieren läßt, so daß seine in der Targetträger-Beschichtungskammer beschichte­ te Fläche kontinuierlich die Sputterkammer durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Targetma­ terials auf den Targetträger in der Targetträger-Be­ schichtungskammer durch Beschichtung mittels eines konti­ nuierlich von außerhalb in die Targetträger-Beschich­ tungskammer eingeführten Quellenmaterials erfolgt und ausschließlich diese Beschichtung des Targetträgers als Target in der Sputterkammer verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des Targetträgers durch chemisches Auf­ dampfen mit Plasma-Unterstützung (PCVD) erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für das Sputtern und das Beschichten des Targetträgers eine gemeinsame Strom-Spannungsver­ sorgung benutzt wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Target­ träger-Beschichtungskammer beschichtete Bereich des Tar­ getträgers vor dem Eintritt in die Sputterkammer durch eine Reaktionskammer zur chemischen Behandlung der Be­ schichtung geführt wird.

5. Beschichtungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, welche in einem Gehäuse eine Sputterkammer zum Beschichten eines Substrates und eine Targetträger-Beschichtungskammer zum Beschichten eines in beide Kammern ragenden, umlaufenden Targetträgers aufweist, deren in der Targetträger-Be­ schichtungskammer beschichtete Fläche kontinuierlich die Sputterkammer durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetträger-Beschichtungskammer (4) zum Aufbringen des Targets (25) auf den Targetträger (2) mittels eines kon­ tinuierlich von außerhalb in die Targetträger-Beschich­ tungskammer (4) eingeführten Quellenmaterials und die Sputterkammer (3) zum ausschließlichen Sputtern dieses Targets (25) ausgebildet ist.

6. Beschichtungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Targetträger-Beschichtungskammer (4) zum Beschichten durch chemisches Aufdampfen mit Plasma- Unterstützung (PCVD) ausgebildet ist.

7. Beschichtungsanlage nach den Ansprüchen 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Targetträger-Be­ schichtungskammer (4) und der Sputterkammer (3) eine Reaktionskammer (8) zur chemischen Behandlung des durch Beschichtung erzeugten Targets (25) auf dem Targetträger (2) vor Eintritt in die Sputterkammer (3) angeordnet ist.

8. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetträger (2) als Rohrkörper ausgebildet ist und in ihm zueinander ge­ genüberliegend zwei separate Magnete (13, 14) angeordnet sind, welche geschlossene Magnetschläuche bilden und von denen ein Magnet (13) der Sputterkammer (3) und der an­ dere Magnet (14) der Targetträger-Beschichtungskammer (4) zugewandt ist.

9. Beschichtungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Magnet (13) der Sputterkammer (3) eine wesentlich höhere Feldstärke hat als der andere Magnet (14).

10. Beschichtungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Magnete (13, 14) übereinstimmend ausgebildet sind, so daß von der Form her gleiche Magnet­ felder entstehen.

11. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der Ansprü­ che 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sputter­ kammer (3) und in der Targetträger-Beschichtungskammer (4) jeweils eine Anode (18, 28) angeordnet ist und beide Anoden (18, 28) unabhängig voneinander und unterschied­ lich mit positivem Potential verbunden sind.

12. Beschichtungsanlage nach zumindest einem der Ansprü­ che 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Sei­ ten der Targetträger-Beschichtungskammer (4) jeweils zwi­ schen ihr und der Sputterkammer (3) eine mit einer Vaku­ umpumpe verbundene Schleusenkammer (5, 6) vorgesehen ist.

13. Beschichtungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in Drehrichtung des Targetträgers (2) liegende Schleusenkammer (5) zugleich die Reaktionskammer (8) bildet.