EP2576856A1 - Vorrichtung und verfahren zur reaktivgastrennung in in-line-beschichtungsanlagen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur reaktivgastrennung in in-line-beschichtungsanlagen

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Publication number
EP2576856A1
EP2576856A1 EP11724964.9A EP11724964A EP2576856A1 EP 2576856 A1 EP2576856 A1 EP 2576856A1 EP 11724964 A EP11724964 A EP 11724964A EP 2576856 A1 EP2576856 A1 EP 2576856A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
coating chamber
chamber
purge gas
transition region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11724964.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Pflug
Michael Siemers
Wolfgang Werner
Bernd Szyszka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2576856A1 publication Critical patent/EP2576856A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • C23C14/564—Means for minimising impurities in the coating chamber such as dust, moisture, residual gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating
    • C23C16/545—Apparatus specially adapted for continuous coating for coating elongated substrates

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for coating substrates with effective reactive gas separation between adjacent coating chambers of in-line coating plants, in particular of coating plants, in which reactive gas processes and processes in an inert atmosphere ⁇ follow each other.
  • Coating chambers one or more
  • In-line coating systems in particular in-line sputtering systems, in which an overflow of gas between adjacent compartments adversely affects the coating process, are used in particular in the field of large area coating for architectural or automotive glazing.
  • High- caliber coating products are solar protection layers or low-emitting (LF) layers, with which either the energy input of solar radiation into buildings or vehicles or heat losses from buildings are minimized.
  • LF low-emitting
  • Such layer systems usually consist of one or more metallic, in the infrared reflective layers, which are embedded in metal ⁇ oxide layers to reduce reflection losses in the visible and for color matching.
  • Metal oxides are usually applied by means of reactive coating processes, in particular reactive sputtering.
  • reactive coating processes in particular reactive sputtering.
  • a metal and reactive gas in particular 0 2
  • wel ⁇ ches received by the precipitating metal on the substrate a metal oxide compound.
  • the gas separation factor G AB between compartments A and B is defined as the change in pressure ⁇ ⁇ in compartment B due to a pressure change ⁇ ⁇ in compartment A:
  • G AB ⁇ ⁇ / ⁇ ⁇
  • the coating system for coating a substrate comprises at least a first and a second coating chamber, at least one transition area, at least one transport unit and at least one purge gas inlet for supplying purge gas into the first and / or second coating ⁇ chamber.
  • the first and second coating chambers each contain at least one coating device for coating the substrate and are connected to one another via the transition region.
  • the transition region serves to pass the substrate from the first to the second coating chamber, wherein the substrate can be conveyed by means of the transport unit from the first coating chamber through the transition region to the second coating chamber.
  • the coating system is characterized in that at least one or exactly one purge gas inlet is arranged in the at least one transition region between the first and the second coating chamber.
  • the Reeducationgastrennung between two adjacent chambers is based in the coating system according to the invention preferably on the utilization of the gas displacement effect.
  • an overpressure of the purge gas in the transition region which causes a rapid outflow of the purge gas from the transition region into the first and allows for the first adjacent second coating chambers.
  • the possibility of an overflow of gas, for example reactive gas, from the first into the second coating chamber or from the second into the first coating chamber can thus be ensured by the
  • the transition region of the coating system according to the invention is preferably formed at least at its opening to the first coating chamber and / or at its opening to the second coating chamber in the form of a gap extending in the transport direction of the substrate. Additionally or alternatively, the transition region may be wholly or partly formed over its entire length in the form of a gap extending in the transport direction of the substrate. Since the coating system according to the invention is preferably provided for the coating of a substantially flat substrate, the formation of the transition region as a gap is advantageous since the transition region is thus adapted to the substrate to be coated and the overflow of gas from the first to the second Coating chamber or reduced in the reverse direction.
  • the gap which extends in the transport direction of the substrate and which describes the transition region is preferably proportioned such that the ratio between the length of the transition region in the transport direction of the substrate and the height of the gap transversely to the transport direction of the substrate is greater than or equal to 5: 1, advantageously greater than or equal to 10: 1, advantageously larger or equal to 20: 1, is.
  • the specified ratio of gap length to gap height results in a length that is large in comparison to the height or very long length of the gap. This in turn reduces an overflow of gas from the first into the second coating chamber or from the second into the first coating chamber.
  • the transition region formed as a gap has a rectangular, curved or wavy cross-section.
  • the transition region preferably has, between its opening to the first coating chamber and its opening to the second coating chamber, in particular centrally, a cavity in which the at least one purge gas inlet is arranged.
  • a purge gas can be formed, through which purge gas can ultimately flow through the opening of Studentsgangsbe ⁇ realm to the first coating chamber, and the opening of the coating portion to the second coating chamber in the first or second coating chamber.
  • an arrangement of the cavity, after which the cavity is arranged centrally in the transition region an overflow of gas between the first and the second, adjacent to the first coating chamber can successfully reduced the.
  • the coating system according to the invention is designed such that the single or all purge gas inlets in the at least one transition region between the first and the second
  • Coating chamber disposed in the cavity between the opening of the transition region to the first coating chamber and the opening of the transition region to the second coating chamber.
  • the first and / or the second coating chamber preferably each have at least one vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, in order to prevent the
  • the at least one coating device of the first and / or the second coating chamber is preferably designed as a magnetron sputtering source or as a reactor for chemical or physical vapor deposition, for example for plasma-assisted chemical or physical vapor deposition, for thermal, chemical vapor deposition or for reactive vapor deposition ,
  • the coating device of the first coating chamber differs from the coating device of the second coating chamber in its mode of operation and / or at least by the process gases used and, if appropriate, reactive gases.
  • the first and / or the second coating chamber may furthermore have at least one reactive gas inlet for feeding reactive gas into the first and / or the second coating chamber.
  • the reactive gas inlet may, for example, be arranged adjacent to an opening of the transition region in the first and / or second coating chamber. Alternatively, however, the reactive gas inlet can also be arranged at a distance from the transition region, for example on a side wall, the underside or the top side of the first and / or second coating chamber.
  • the reactive gas is preferably 0 2 , N 2 , H 2 , NH 3 , N0 2 , N 2 0, C0 2 , CH 4 , H 2 S or a mixture of these.
  • the transport device which is provided for conveying the substrate from the first coating chamber through the transition region to the second coating chamber, may be formed, for example, as a roller device with a multiplicity of rollers.
  • the substrate to be coated is placed in front ⁇ preferably on the rollers and can be moved by the rotation of the rollers in the transport direction.
  • Rollers arranged in the region of the transition region are preferably separated from one another by at least one partition wall. By such a partition, in turn, an unnecessary flow of gas from the first chamber into the second chamber or from the second into the first chamber is reduced.
  • the transport device can also be designed as a belt transport unit in belt coating systems.
  • the substrate is a flexible belt which is unwound and wound or wound with the aid of large reels or drums. ported.
  • the substrate usually runs over relatively large rotating belt drums, while the coating chambers are arranged around the belt drums.
  • the connecting gap, ie the transition region, between two coating chambers can here be slightly curved (corresponding to the curvature of the drum), and the one side of the connecting gap is thus preferably formed by the drum itself.
  • the inventive coating system of at least one transition area and said at least one flush inlet are preferably configured such that a purge gas pressure in the transition region is higher than a first purge gas in the first coating ⁇ chamber and as a second purge gas pressure in the second coating chamber.
  • the purge gas pressure in the transition region by at least a factor of 2, in particular a factor of 3, greater than the first purge gas pressure in the first coating chamber and the second purge pressure in the second coating chamber.
  • the concrete pressure ranges of the purge gas pressure in the transition region or of the first and second purge gas pressure in the first and the second coating chamber differ depending on the coating process. If, for example, a magnetron sputter source is provided as the coating device in the first and / or second coating chamber, the purge gas pressure in the transition region is 0.1 to 10 Pa, in particular 0.5 to 4.0 Pa, in particular 1.0 to 2 , 0 Pa, while the first and / or second purge gas pressure in the first and / or second coating chamber in the range of 0.05 to 2 Pa, in particular in the range of 0.1 to 1.5 Pa, in particular dere in the range of 0.5 to 1.0 Pa, is. If, on the other hand, a reactor for chemical vapor deposition is used as the coating device, then pressures in the range from 10 Pa to more than 1000 Pa prevail in the coating chambers, with the respective
  • Purge gas pressure depends on the type of process and the material used.
  • the purge gas pressure within the transition region, i. in the gap, should be higher than the purge gas pressure in the first and second coating chamber and can be selected accordingly.
  • the purge gas used in the coating system according to the invention preferably passes from the transition region into the first and the second coating chamber, so that the purge gas should be chosen such that it does not interfere with the coating process.
  • the purge gas may be an inert gas, which advantageously contains or consists of helium, neon, argon, krypton and / or xenon. Such a choice is especially in
  • Magnetron sputtering advantageous because in this case the "purge gas” also serves as a "process gas”, i. the inert gas introduced through the gap is used to reduce the reactive gas flow and at the same time to sputter the metal cathode.
  • the process gas pressure In order to be able to set the process gas pressure independently of the outflow characteristic of the gap, it is optionally possible to provide additional inert gas inlets in the process chambers.
  • the coating plant of the invention may also comprise zusharm ⁇ Lich to the first and second coating chamber at least one further coating chamber with at least one coating device.
  • Adjacent coating chambers for example the second and the further coating chamber, can be connected by a transition region, which is designed in accordance with the transition region between the first and second coating chambers. At least if a reactive gas is used in the coating in one of the adjacent coating chambers, it is advantageous if these chambers are connected via a transition region as described for the first and second coating chamber.
  • simulation methods are available.
  • the Direct Simulation Monte Carlo Method is ideal for determining appropriate ratios of gap length to gap width for given process conditions in advance.
  • the present invention further relates to a method for coating a substrate, wherein the substrate to be coated is coated in a first coating chamber, is conveyed through at least one transition region between the first and a second coating chamber from the first coating chamber into the second coating chamber, and in the second coating chamber again is layered.
  • a purge gas is introduced into the transition region, the purge gas from the transition region into the first and the second Coating chamber is initiated.
  • an overpressure prevails, so that the
  • Purging gas flows into the first and the second coating chamber such that a gas flow from the first to the second coating chamber or in the reverse direction is displaced from the transition region and the purge gas flows into the first and the second coating chamber.
  • the purge gas is preferably introduced under pressure into the transition region, wherein a purge gas pressure in the transition region is greater, preferably at least a factor of 2, in particular by at least a factor of 3, as a first purge gas pressure in the first coating chamber and a second purge gas pressure ⁇ in the second coating chamber.
  • the substrate is preferably coated in the first chamber and / or in the second coating chamber by magnetron sputtering or by chemical or physical vapor deposition.
  • the substrate is coated with plasma assisted chemical or physical vapor deposition or thermal chemical vapor deposition or by reactive vapor deposition.
  • a reactive gas can be fed into the first and / or the second coating chamber, for example O 2 , N 2 , H 2 , NH 3 , NO 2 , N 2 O, CO 2 , CH 4 , H 2 S or a mixture of these.
  • the latter is preferably at least at its opening to the first coating chamber and / or at its opening to the second coating chamber and / or wholly or partly over its entire length in the transport direction of the Substrate extended gap formed, the ratio between
  • Gap length in the transport direction and gap height transversely to the transport direction preferably ⁇ 5: 1, in particular ⁇ 10: 1, in particular ⁇ 20: 1.
  • the cross section of the gap is preferably rectangular, curved or wavy.
  • the purge gas is preferably introduced via at least one purge gas inlet into a cavity, which in the transition region between its opening to the first coating chamber and its opening to the second coating chamber, so that the entire purge gas or at least a portion of the purge gas through a portion of the transition region between the cavity and Opening to the first or second coating tion chamber in the first and second coating chamber is initiated.
  • Purging gas which is located in the first and second coating chamber, and optionally reactive gas inside the first and / or second coating chamber can be removed from the first and second coating chamber, wherein preferably at least one vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, is used.
  • the inventive method can by means of a Coating plant according to the invention, as described above, are performed.
  • the present invention also relates to the Ver ⁇ application of the coating system according to the invention and of the method according to the invention in the field of large area coating for architectural and automotive glazing and / or for photovoltaics.
  • the coating system and the corresponding procedural ⁇ ren serve a coating with one or more
  • Layers in particular with sun protection layers and / or with low-emitting layers, in particular metallic and / or infrared-reflecting layers, which are preferably embedded in metal oxide layers for reducing reflection losses in the visible and for color matching.
  • the invention Be ⁇ coating plant and the method for applying anti-reflective layers, semiconductor layers and / or transparent electrode is suitable, wherein these are applied in particular by means of magnetron sputtering.
  • Figure 1 is a schematic representation of a coating system with two coating chambers
  • FIG. 1 shows a coating installation according to the invention which has a first coating chamber 1 arranged on the left hand side with a substantially centered in the coating chamber 1
  • the first and the second coating chamber 1, 2 are connected to one another via a transition region in the form of a gap 7 elongated in the transport direction, the transport direction being indicated by the arrows A, which point from left to right.
  • the substrate 6 to be coated is conveyed from the coating chamber 1 via the gap 7 into the second coating chamber 2 by means of transport rollers 5 located at the bottom of the first and second coating chambers 1, 2.
  • the elongate gap 7 in this example has a rectangular cross-section and the ratio of gap length in the transport direction A and gap height transversely to the transport direction A is 10: 1.
  • the coating chambers 1, 2 have on their upper side 12, 13 in each case a vacuum pump 9 in order to prevent the
  • the transport rollers are worked into the gap 5 in such a ⁇ 7 that below the gap, that is, at the level of the transport rollers 5 no gas exchange in the transport direction A is possible.
  • This is achieved by a zusharm ⁇ Liche partition wall 10 between the feed rollers 5a, 5b, wherein the transport rollers are arranged 5a, 5b at the lower right corner of the first coating chamber 1 and the lower left corner of the second coating chamber. 2
  • a cavity 8 Located centrally in the gap 7 is a cavity 8 in which an inert gas inlet (not shown) is arranged.
  • the arrangement of the inert gas inlet in the gap 7 is a significant overpressure in the inert gas
  • Partial pressure built up This exceeds the mean inert gas partial pressure in both adjacent chambers 1, 2 by a factor of 2. By this pressure, inert gas flows at high speed on both sides of the gap 7 in the adjacent process chambers 1,
  • the present invention takes advantage of the fact that magnetron sputtering machines i.d.R. be operated with a reactive gas and an inert gas, in most cases argon, with charged inert gas ions have a significant share of the sputtering process. In the flow dynamics of both gas species there is a certain interaction due to the collision between
  • Reactive gas molecules with inert gas atoms Simulation calculations can be shown that with spe ⁇ essential arrangements of the gas inlets an effective displacement of reactive gas through the inert gas may be effected, and herewith the reactive gas
  • DSMC Direct Simulation Monte Carlo
  • the DSMC method is described by G. A. Bird in Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows (Monography, Clarendon Press, Oxford (1994)).
  • a two-dimensional model of two adjacent vacuum coating chambers 1, 2 is selected, which is based on the coating system shown in FIG.
  • the coating substrate 6 was not considered in the model, since this would increase the gas separation effect and the model should represent a conservative estimate.
  • the dimensions of the first and the second coating chambers 1, 2 are each 800 ⁇ 400 mm 2 in the X and Y directions, the X direction indicating the width and the Y direction the height of the coating chambers 1, 2.
  • the 2D model becomes a depth 10 mm, whereas in reality, for example, architectural glass coating plants have a depth of more than 4000 mm.
  • the two boundary planes in the Z direction are with regard to
  • the purge gas used is argon, which is frequently used for sputtering.
  • the argon inlet 10 is located in the center of the connecting gap 7 between the first and second coating chamber 1, 2 as indicated in Fig. 2A.
  • As a reactive gas is used 0 2 which is admitted via the inlet 11 adjacent to the gap 7 only in the first, left coating chamber 1.
  • the upper sides 12, 13 of both chambers 1, 2 are designed as pumping surfaces.
  • the suction capacity, based on a chamber depth of 3.25 m each, is set at 1.5 m 3 , which roughly corresponds to the pumping speed of one to two turbomolecular pumps. In the simulation arrangement, the chamber depth is 1 cm
  • Gap height 20 mm
  • Gap length 300 mm
  • FIG. 2A to C shown.
  • Figures 2A to 2C show the left and the right coating chamber 1, 2 as well as the two coating chambers 1, 2 connecting gap 7.
  • the dimension of the coating chambers 1, 2 indicated , wherein the lower left corner of the left coating chamber 1 is located at the origin of the coordinate system.
  • argon in the gap 7 is a velocity from 10 m / s to 50 m / s and flows at a speed of about 4 m / s to 6 m / s on both sides of the gap 7 in the coating chambers 1, 2.
  • the speed of 4 m / s to 6 m / s is maintained over a range of about 200 mm around the gap 7 and decreases with increasing distance from the gap 7 until the argon speed reaches a minimum.
  • FIG. 2B shows the partial pressure distribution of the argon in the coating plant in the equilibrium state.
  • a partial pressure in the range of 2 Pa to 2.5 Pa prevails.
  • the argon pressure decreases to about 1.5 Pa.
  • the argon pressure decreases further to about 0.97 Pa, while the
  • Partial pressure in the right coating chamber 2 only decreases to 1.25 Pa, since substantially no reactive gas is present.
  • FIG. 2 shows the average oxygen partial pressure in the first left-hand coating chamber 1 and in the right-hand coating chamber 2.
  • the 0 2 - pressure is greatest in the left coating chamber 1, in which the 0 2 is supplied directly via the reactive gas inlet 11, and is about 530 mPa. Within the gap 7, the 0 2 pressure decreases rapidly, so that in the right coating chamber finally only a 0 2 pressure in the amount of about 24.5 mPa prevails.
  • the reactive gas separation factor is therefore more than 21.
  • the reactive gas separation factor is increased in a simple and cost-effective manner by placing the inert gas or purge gas inlet within a connection gap between adjacent coating chambers and thus reducing the flow of gases from one into the adjacent chamber.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft im Bereich der Beschichtungstechnik eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten bei effektiver Reaktivgastrennung zwischen benachbarten Beschichtungskammern von in-line-Beschichtungsanlagen, insbesondere von Beschichtungsanlagen, bei denen Reaktivgasprozesse und Prozesse in inerter Atmosphäre aufeinander folgen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Reaktivgastrennung in in-1ine-Beschichtungsanlagen
Die vorliegende Erfindung betrifft im Bereich der Be- schichtungstechnik eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten bei effektiver Reaktivgastrennung zwischen benachbarten Beschich- tungs kammern von in-line-Beschichtungsanlagen, insbesondere von Beschichtungsanlagen, bei denen Reaktiv- gasprozesse und Prozesse in inerter Atmosphäre aufei¬ nander folgen.
In derzeit bekannten Beschichtungsanlagen wird das Problem der Überströmung von Reaktivgas in benachbar- te Kammern dadurch gelöst, dass zwischen benachbarten
Beschichtungskammern ein oder mehrere
Pumpkompartments eingefügt werden. Diese Kompartments sind in Transportrichtung durch Spaltblenden miteinander verbunden und besitzen jeweils eine oder meh- rere Vakuumpumpen. In-line-Beschichtungsanlagen, insbesondere in-line- Sputteranlagen, in welchen ein Überströmen von Gas zwischen benachbarten Kompartments den Beschichtungs- prozess negativ beeinträchtigt, kommen insbesondere im Bereich der Großflächenbeschichtung für Architektur- oder Automobilverglasung zum Einsatz. Maßgebli¬ che Beschichtungs-Produkte sind Sonnenschutzschichten oder niedrigemittierende (Low-F) -Schichten, mit denen entweder der Energieeintrag der Sonnenstrahlung in Gebäude bzw. Fahrzeuge oder Wärmeverluste aus Gebäuden minimiert werden. Derartige SchichtSysteme bestehen zumeist aus einer oder mehreren metallischen, im Infraroten reflektierenden Schichten, die in Metall¬ oxid-Schichten zur Minderung von Reflexionsverlusten im Sichtbaren und zur Farbanpassung eingebettet sind.
Metalloxide werden i.d.R. mittels reaktiver Beschich- tungsprozesse, insbesondere reaktives Sputtern, aufgebracht. Hierbei wird neben der Zerstäubung oder Verdampfung eines Metalls auch Reaktivgas, insbesondere 02, in die Beschichtungskammer eingebracht, wel¬ ches mit dem sich auf dem Substrat niederschlagenden Metall eine Metalloxid-Verbindung eingeht.
Demgegenüber ist ein Reaktivgasanteil bei der Ab- scheidung von Metallschichten unerwünscht, da ansonsten i.d.R. Metallschichten mit schlechterer Qualität hinsichtlich der spezifischen Leitfähigkeit und der optischen Eigenschaften resultieren.
Bisherige Verfahren zur Vermeidung eines Reaktivgasanteils in einem metallischen Beschichtungsprozess sehen Maßnahmen zur Erhöhung des Gastrennfaktors zwi¬ schen den Kompartments mit Reaktiv- und Metallprozess vor. Der Gastrennfaktor GAB zwischen Kompartments A und B ist definiert als die Änderung des Drucks ΔρΒ in Kompartment B in Folge einer Druckänderung ΔρΑ in Kompartment A:
GAB = ΔρΒ/ΔρΑ
Eine konventionelle Maßnahme zur Erhöhung des Gast¬ rennfaktors zwischen zwei benachberten Beschichtungs- kammern ist das oben bereits erwähnte Einfügen zu- sätzlicher Pumpkompartments , wie Geisler et al. in
„Latest advance of process technology in
architectural glass coaters and applications" (Proc. Glass Processing Days (2005) 197-200) beschreiben. Dieses Verfahren ist aufwändig, weil ein
Pumpkompartment die Investition und den Betrieb mehrerer Turbo-Molekularpumpen erfordert, und sich dadurch die für die In-line-Anlage benötigte Fläche vergrößert . Die Nachteile des Standes der Technik zur Vermeidung einer Überströmung von Reaktivgas in eine benachbarte Kammer liegen darin, dass zusätzliche
Pumpkompartments zur Reaktivgastrennung erforderlich sind, welche die Gesamtlänge der Beschichtungsanlage sowie die Investitionskosten signifikant vergrößern.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine platzsparende sowie kostengünstige Vorrichtung zur Beschichtung von Sub- Straten mit effektiver Reaktivgastrennung zwischen benachbarten Beschichtungskammern sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Beschichtungsanlage zum Beschichten eines Substrates nach Anspruch 1 sowie des Verfahrens zum Beschichten eines Substrates nach Anspruch 13 gelöst. Anspruch 18 beschreibt weiter die Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des erfindungemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß enthält die Beschichtungsanlage zum Beschichten eines Substrates zumindest eine erste und eine zweite Beschichtungskammer , mindestens einen Übergangsbereich, mindestens eine Transporteinheit und mindestens einen Spülgaseinlass zum Zuführen von Spülgas in die erste und/oder zweite Beschichtungs¬ kammer. Die erste und die zweite Beschichtungskammer enthalten jeweils mindestens eine Beschichtungsein- richtung zum Beschichten des Substrats und sind über den Übergangsbereich miteinander verbunden. Der Übergangsbereich dient dem Durchgang des Substrats von der ersten in die zweite Beschichtungskammer, wobei das Substrat mit Hilfe der Transporteinheit von der ersten Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich zur zweiten Beschichtungskammer befördert werden kann. Die Beschichtungsanlage zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in dem mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Beschichtungskammer mindestens ein oder genau ein Spülgaseinlass angeordnet ist.
Die Reaktivgastrennung zwischen zwei benachbarten Kammern basiert bei der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage bevorzugt auf der Ausnutzung des Gasverdrängungseffekts. Nachdem das Spülgas innerhalb des Übergangsbereichs in die Beschichtungsanlage eingelassen wird, entsteht ein Überdruck des Spülgases im Übergangsbereich, der eine schnelle Ausströmung des Spülgases aus dem Übergangsbereich in die erste und zur ersten benachbarten zweiten Beschichtungskammern ermöglicht. Die Möglichkeit einer Überströmung von Gas, beispielsweise Reaktivgas, von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder von der zweiten in die erste Beschichtungskammer kann somit durch die
Zuführung des Spülgases innerhalb des Übergangsbereichs im wesentlichen unterdrückt werden.
Der Übergangsbereich der erfindungsgemäßen Beschich- tungsanlage ist vorzugsweise zumindest an seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und/oder an seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer in Form eines sich in Transportrichtung des Substrates erstreckenden Spalts ausgebildet. Zusätzlich oder al- ternativ kann der Übergangsbereich ganz oder teilweise als auf seiner ganzen Länge in Form eines sich in Transportrichtung des Substrates erstreckenden Spalts ausgeformt sein. Da die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage vorzugsweise für die Beschichtung eines im Wesentlichen flächigen Substrates vorgesehen ist, ist die Ausbildung des Übergangsbereichs als Spalt von Vorteil, da der Übergangsbereich somit an das zu beschichtende Sub- strat angepasst ist und die Überströmung von Gas von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder in Rückwärtsrichtung verringert.
Der sich in Transportrichtung des Substrats erstre- ckenden Spalt, welcher den Übergangsbereich beschreibt, ist vorzugsweise derart proportioniert, dass das Verhältnis zwischen der Länge des Übergangsbereichs in Transportrichtung des Substrats und der Höhe des Spalts quer zur Transportrichtung des Sub- strats größer oder gleich 5:1, vorteilhafterweise größer oder gleich 10:1, vorteilhafterweise größer oder gleich 20:1, ist.
Durch das angegebene Verhältnis von Spaltlänge zu Spalthöhe ergibt sich eine im Vergleich zur Höhe gro- ße Länge bzw. sehr große Länge des Spalts. Dadurch wird wiederum ein Überströmen von Gas von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder von der zweiten in die erste Beschichtungskammer verringert. Vorzugsweise weist der als Spalt ausgebildete Übergangsbereich einen rechteckigen, gekrümmten oder wellenförmigen Querschnitt auf. Je nach Querschnitt des Spalts lassen sich flächige Substrate, wie beispielsweise Glasscheiben, gekrümmte Substrate, wie bei- spielsweise Linsen oder gekrümmte Automobilvergla- sung, oder wellenförmige Substrate, wie beispielsweise Wellglas, beschichten, ohne dass ein unnötiger Freiraum zwischen Substrat und Spalt besteht, welcher eine Überströmung von Gas zwischen benachbarten Be- schichtungskammern begünstigen würde.
Der Übergangsbereich weist vorzugsweise zwischen seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer, insbesondere mittig, einen Hohlraum auf, in welchem der mindestens eine Spülgaseinlass angeordnet ist. In dem Hohlraum kann sich ein Spülgasdruck ausbilden, durch welchen letztlich Spülgas durch die Öffnung des Übergangsbe¬ reichs zur ersten Beschichtungskammer und die Öffnung des Beschichtungsbereichs zur zweiten Beschichtungskammer in die erste bzw. zweite Beschichtungskammer einströmen kann. Insbesondere eine Anordnung des Hohlraums, wonach der Hohlraum mittig im Übergangsbereich angeordnet ist, kann ein Überströmen von Gas zwischen der ersten und der zweiten, zur ersten benachbarten Beschichtungskammer erfolgreich vermin- dem .
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Beschichtungs- anlage derart ausgebildet, dass der einzige oder sämtliche Spülgaseinlässe in dem mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten
Beschichtungskammer in dem Hohlraum zwischen der Öffnung des Übergangsbereichs zur ersten Beschichtungskammer und der Öffnung des Übergangsbereichs zur zweiten Beschichtungskammer angeordnet.
Neben der mindestens einen Beschichtungseinrichtung in der ersten und der zweiten Beschichtungskammer weist die erste und/oder die zweite Beschichtungskam¬ mer vorzugsweise jeweils mindestens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, auf, um den
Druck in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer zu regeln und/oder ein Gasgemisch, welches zumindest über den Spülgaseinlass zugeführtes Spülgas, welches auch als Prozessgas verwendet werden kann, sowie ggf. über einen Reaktivgaseinlass zugeführtes
Reaktivgas enthält.
Die mindestens eine Beschichtungseinrichtung der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer ist vor- zugsweise als Magnetronsputterquelle oder als Reaktor für chemische oder physikalische Gasphasenabschei- dung, beispielsweise für plasmaunterstützte chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, für thermische, chemische Gasphasenabscheidung oder für reakti- ves Aufdampfen, ausgebildet. Vorteilhafterweise unterscheidet sich die Beschichtungseinrichtung der ersten Beschichtungskammer von der Beschichtungseinrichtung der zweiten Beschichtungskammer in ihrer Funktionsweise und/oder zumindest durch die verwende- ten Prozessgase und gegebenenfalls Reaktivgase. Die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer können weiterhin in Abhängigkeit von der jeweiligen Beschichtungseinrichtung mindestens einen Reaktivgaseinlass zum Zuführen von Reaktivgas in die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer aufweisen.
Der Reaktivgaseinlass kann beispielsweise benachbart zu einer Öffnung des Übergangsbereichs in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer angeordnet sein. Alternativ kann der Reaktivgaseinlass jedoch auch beabstandet von dem Übergangsbereich angeordnet sein, beispielsweise an einer Seitenwand, der Unterseite oder der Oberseite der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer. Als Reaktivgas bieten sich vorzugsweise 02, N2, H2, NH3, N02, N20, C02, CH4, H2S oder eine Mischung dieser an.
Die Transporteinrichtung, welche zum Befördern des Substrates von der ersten Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich zur zweiten Beschichtungskammer vorgesehen ist, kann beispielsweise als Rolleneinrichtung mit einer Vielzahl an Rollen ausgebildet sein. Das zu beschichtende Substrat ist dabei vor¬ zugsweise auf die Rollen aufgelegt und durch die Rotation der Rollen in Transportrichtung bewegbar. Im Bereich des Übergangsbereichs angeordnete Rollen sind bevorzugt durch mindestens eine Trennwand voneinander getrennt. Durch eine solche Trennwand wird wiederum eine unnötige Überströmung von Gas von der ersten Kammer in die zweite Kammer bzw. von der zweiten in die erste Kammer vermindert.
Als Alternative kann die Transporteinrichtung auch als Bandbeförderungseinheit in Bandbeschichtungsanla- gen ausgebildet sein. Bei diesen ist das Substrat ein flexibles Band, das mit Hilfe von großen Bandrollen bzw. Trommeln abgespult und aufgewickelt bzw. trans- portiert wird. In derartigen Anlagen läuft das Substrat i.d.R. über relativ große rotierende Bandtrommeln, während die Beschichtungskammern um die Bandtrommeln herum angeordnet sind. Der Verbindungsspalt, d.h. der Übergangsbereich, zwischen zwei Beschichtungskammern kann hier leicht gekrümmt (entsprechend der Krümmung der Trommel) sein, und die eine Seite des Verbindungsspalts wird somit bevorzugt durch die Trommel selbst gebildet.
In der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sind der mindestens eine Übergangsbereich und der mindestens eine Spüleinlass vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein Spülgasdruck im Übergangsbereich höher als ein erster Spülgasdruck in der ersten Beschichtungs¬ kammer und als ein zweiter Spülgasdruck in der zweiten Beschichtungskammer ist. Vorzugsweise ist der Spülgasdruck im Übergangsbereich um mindestens einen Faktor 2, insbesondere einen Faktor 3, größer als der erste Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und der zweite Spüldruck in der zweiten Beschichtungskammer .
Die konkreten Druckbereiche des Spülgasdrucks in dem Übergangsbereich bzw. des ersten und zweiten Spülgasdrucks in der ersten und der zweiten Beschichtungskammer unterscheiden sich je nach Beschichtungsver- fahren. Ist als Beschichtungseinrichtung in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer beispiels- weise eine Magnetronsputterquelle vorgesehen, so liegt der Spülgasdruck im Übergangsbereich bei 0,1 bis 10 Pa, insbesondere bei 0,5 bis 4,0 Pa, insbesondere bei 1,0 bis 2,0 Pa, während der erste und/oder zweite Spülgasdruck in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer im Bereich von 0,05 bis 2 Pa, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 1,5 Pa, insbeson- dere im Bereich von 0,5 bis 1,0 Pa, liegt. Wird als Beschichtungseinrichtung dagegen ein Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung eingesetzt, so herrschen in den Beschichtungskammern Drücke im Bereich von 10 Pa bis mehr als 1000 Pa, wobei sich der jeweilige
Spülgasdruck nach der Prozessart und dem verwendeten Material richtet. Der Spülgasdruck innerhalb des Übergangsbereichs, d.h. im Spalt, sollte höher sein als der Spülgasdruck in der ersten und zweiten Be- schichtungskammer und ist entsprechend wählbar.
Das in der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage verwendete Spülgas gelangt vorzugsweise von dem Übergangsbereich in die erste und die zweite Beschich- tungskammer, so dass das Spülgas derart gewählt werden sollte, dass es den Beschichtungsprozess nicht stört. Beispielsweise kann das Spülgas ein Inertgas sein, welches vorteilhafterweise Helium, Neon, Argon, Krypton und/oder Xenon enthält oder daraus besteht. Eine solche Wahl ist insbesondere bei
Magnetronsputtern vorteilhaft, da in diesem Fall das „Spülgas" zugleich als „Prozessgas" dient, d.h. das durch den Spalt eingelassene Inertgas wird zur Verminderung der Reaktivgasüberströmung und zugleich zum Sputtern der Metallkatode verwendet. Um den Prozessgasdruck unabhängig von der Ausströmcharakteristik des Spalts einstellen zu können, können ggf. zusätzliche Inertgas-Einlässe in den Prozesskammern vorgesehen sein.
Es gibt jedoch auch Fälle, in denen sich Inertgas störend auf den Beschichtungsprozess auswirken kann, so beispielsweise im Falle von plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungen . Bei der plasmaun- terstützten chemischen Gasphasenabscheidung kann daher bei der Abscheidung amorpher Siliziumschichten beispielsweise Wasserstoff (H2) als Spülgas bzw. als Prozessgas verwendet werden, während SiH4 als Reak¬ tivgas eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage kann zusätz¬ lich zu der ersten und zweiten Beschichtungskammer noch mindestens eine weitere Beschichtungskammer mit mindestens einer Beschichtungseinrichtung aufweisen. Jeweils benachbarte Beschichtungskammern, beispiels- weise die zweite und die weitere Beschichtungskammer, können durch einen Übergangsbereich, welcher entsprechend dem Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Beschichtungskammer ausgestaltet ist, verbunden sein. Zumindest, wenn in einer der benachbarten Be- schichtungskammern ein Reaktivgas bei der Beschich- tung eingesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn diese Kammern über einen Übergangsbereich, wie er für die erste und zweite Beschichtungskammer beschrieben wurde, verbunden sind.
Um die Gestalt des mindestens einen Übergangsbereichs und/oder die Eigenschaften des mindestens einen Spülgaseinlasses zu optimieren, bieten sich Simulationsverfahren an. Insbesondere die Direct Simulation Mon- te Carlo Method bietet sich an, um für gegebene Prozessbedingungen im Vorfeld angemessene Verhältnisse von Spaltlänge zu Spaltbreite zu ermitteln.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Ver- fahren zum Beschichten eines Substrates, wobei das zu beschichtende Substrat in einer ersten Beschichtungskammer beschichtet wird, durch mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und einer zweiten Beschichtungskammer von der ersten Beschichtungskam- mer in die zweite Beschichtungskammer befördert wird und in der zweiten Beschichtungskammer wiederum be- schichtet wird. Während des Beschichtens des Substrats in der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer und/oder während des Transports des Substrats von der ersten Beschichtungskammer zur zweiten Beschichtung wird erfindungsgemäß ein Spülgas derart in den Übergangsbereich eingeleitet, das Spülgas aus dem Übergangsbereich in die erste und die zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird. Vorzugsweise herrscht im Übergangsbereich, insbesondere im Zufuhr- bereich des Spülgases ein Überdruck, so dass das
Spülgas derart in die erste und die zweite Beschichtungskammer einströmt, dass ein Gasstrom von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder in Rückwärtsrichtung aus dem Übergangsbereich verdrängt wird und das Spülgas in die erste und die zweite Beschichtungskammer einströmt.
Das Spülgas wird vorzugsweise unter Druck in den Übergangsbereich eingeleitet, wobei ein Spülgasdruck im Übergangsbereich größer ist, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 2, insbesondere um mindestens einen Faktor 3, als ein erster Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und ein zweiter Spülgas¬ druck in der zweiten Beschichtungskammer.
Das Substrat wird in der ersten Kammer und/oder in der zweiten Beschichtungskammer vorzugsweise durch Magnetronsputtern oder durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung beschichtet. Vorzugsweise wird das Substrat mit plasmaunterstützter chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung oder mit thermischer chemischer Gasphasenabscheidung oder durch reaktives Aufdampfen beschichtet. Je nach Be- schichtungsverfahren kann in die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer ein Reaktivgas zugeführt werden, beispielsweise 02, N2, H2, NH3, N02, N20, C02, CH4, H2S oder einer Mischung dieser.
Zum Transport des Substrats von der ersten in die zweite Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich ist dieser vorzugsweise zumindest an seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und/oder an seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer und/oder ganz oder teilweise auf seiner ganzen Länge in Form eines sich in Transportrichtung des Substrats erstreckten Spalts ausgebildet, wobei das Verhältnis zwischen
Spaltlänge in Transportrichtung und Spalthöhe quer zur Transportrichtung vorzugsweise ^ 5:1, insbesondere ^ 10:1, insbesondere ^ 20:1 ist. Der Querschnitt des Spalts ist vorzugsweise rechteckig, gekrümmt oder wellenförmig.
Das Spülgas wird vorzugsweise über mindestens einen Spülgaseinlass in einen Hohlraum, welcher im Übergangsbereich zwischen seiner Öffnung zur ersten Be- schichtungskammer und seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer eingeleitet, so dass das gesamte Spülgas oder zumindest ein Teil des Spülgases durch einen Abschnitt des Übergangsbereichs zwischen Hohlraum und Öffnung zur ersten oder zweiten Beschich- tungskammer in die erste bzw. zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird.
Spülgas, welches sich in der ersten und zweiten Beschichtungskammer befindet, sowie gegebenenfalls Re- aktivgas im Inneren der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer kann aus der ersten und zweiten Beschichtungskammer abgeführt werden, wobei vorzugsweise mindestens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage, wie sie oben beschrieben wurde, durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Ver¬ wendung der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich der Großflächenbeschichtung für Architektur oder Automobilverglasung und/oder für die Photovoltaik . Im Bereich der Architektur und Automobilverglasung dienen die Beschichtungsanlage und das entsprechende Verfah¬ ren einer Beschichtung mit einer oder mehreren
Schichten, insbesondere mit Sonnenschutzschichten und/oder mit niedrig emittierenden Schichten, insbesondere metallische und/oder im Infraroten reflektierende Schichten, die bevorzugt in Metalloxidschichten zur Minderung von Reflexionsverlusten im Sichtbaren und zur Farbanpassung eingebettet sind. Im Bereich der Photovoltaik eignet sich die erfindungsgemäße Be¬ schichtungsanlage sowie das Verfahren zum Aufbringen von Antireflexschichten, Halbleiterschichten und/oder transparenten Elektroden, wobei diese insbesondere mittels Magnetronsputtern aufgebracht werden.
Im Folgenden werden einige Beispiele der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des Verfahrens gegeben. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Beschichtungsanlage mit zwei Beschichtungs- kammern;
Figuren
2A bis C die Druckverteilung sowie die Spülgasgeschwindigkeit bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands in zwei benachbar¬ ten Beschichtungskammern; und Figur 3 den Verlauf des 02-Partialdrucks durch die Beschichtungskammern in Abhängigkeit von der Argon-Flussgeschwindigkeit.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Beschichtungsan- lage, welche eine erste, linkerhand angeordnete Beschichtungskammer 1 mit einer im Wesentlichen mittig in der Beschichtungskammer 1 angebrachten
Sputterquelle 3 sowie eine zweite, rechterhand angeordnete Beschichtungskammer 2 mit einer im Wesentlichen mittig in der Beschichtungskammer 2 angebrachten Sputterquelle 4 aufweist. Die erste und die zweite Beschichtungskammer 1, 2 sind über einen Übergangsbe- reich in Form eines in Transportrichtung lang gestreckten Spalts 7 miteinander verbunden, wobei die Transportrichtung durch die Pfeile A angedeutet ist, die von links nach rechts zeigen. Das zu beschichtende Substrat 6 wird mittels Transportrollen 5, welche sich am Boden der ersten und der zweiten Beschichtungskammer 1, 2 befinden, von der Beschichtungskammer 1 über den Spalts 7 in die zweite Beschichtungskammer 2 befördert. Der lang gestreckte Spalt 7 weist in diesem Beispiel einen rechteckigen Querschnitt auf und das Verhältnis von Spaltlänge in Transportrichtung A und Spalthöhe quer zur Transportrichtung A ist 10:1.
Die Beschichtungskammern 1, 2 weisen an ihrer Ober- seite 12, 13 jeweils eine Vakuumpumpe 9 auf, um den
Druck innerhalb der Beschichtungskammer zu regulieren und überflüssiges Gas aus den Beschichtungskammern 1, 2 zu entfernen.
Um ein Durchströmen von Gas von der ersten 1 in die zweite Beschichtungskammer 2 oder von der zweiten 2 in die erste Beschichtungskammer 1 zu minimieren, sind die Transportrollen 5 derart in den Spalt 7 ein¬ gearbeitet, dass unterhalb des Spalts, d.h. auf Höhe der Transportrollen 5 kein Gasaustausch in Transport- richtung A möglich ist. Dies wird durch eine zusätz¬ liche Trennwand 10 zwischen den Transportrollen 5a, 5b erreicht, wobei die Transportrollen 5a, 5b am rechten unteren Eck der ersten Beschichtungskammer 1 und am linken unteren Eck der zweiten Beschichtungs- kammer 2 angeordnet sind.
Mittig im Spalt 7 befindet sich ein Hohlraum 8, in dem ein Inertgaseinlass (nicht gezeigt) angeordnet ist. Durch die Anordnung des Inertgaseinlasses im Spalt 7 wird ein deutlicher Überdruck im Inertgas-
Partialdruck aufgebaut. Dieser übersteigt den mittleren Inertgas-Partialdruck in beiden angrenzenden Kammern 1, 2 um einen Faktor 2. Durch diesen Überdruck strömt Inertgas mit hoher Geschwindigkeit beidseitig aus dem Spalt 7 in die angrenzenden Prozesskammern 1,
2 ein, wodurch wird der Reaktivgasaustausch zwischen beiden Kammern 1, 2 behindert wird.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache aus, dass Magnetron-Sputteranlagen i.d.R. mit einem Reaktivgas und einem Inertgas, in den meisten Fällen Argon, betrieben werden, wobei geladene Inertgas-Ionen maßgeblichen Anteil am Sputterprozess haben. In der Strömungsdynamik beider Gas-Spezies gibt es eine ge- wisse Wechselwirkung aufgrund der Kollision zwischen
Reaktivgas-Molekülen mit Inertgas-Atomen. Durch Simulationsrechnungen kann gezeigt werden, dass mit spe¬ ziellen Anordnungen der Gaseinlässe eine effektive Verdrängung von Reaktivgas durch das Inertgas bewirkt werden kann, und sich hiermit die Reaktivgas-
Überströmung zwischen zwei benachbarten Vakuumkammern signifikant reduzieren lässt.
Die erfindungsgemäße Funktionsweise der Gastrennungs¬ vorrichtung wird nachfolgend anhand einer
Simulationsrechung demonstriert. Als Simulationsver¬ fahren wird die sog. „Direct Simulation Monte Carlo" (DSMC) — Methode verwendet, weil die interessierenden Prozessdrücke für Vakuumbeschichtungsverfahren wie z.B. Magnetron-Sputtern derart gering sind, dass eine Strömungsmodellierung mit Kontinuumsverfahren zu falschen Ergebnissen führt.
Die DSMC-Methode wird von G. A. Bird in "Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows (Monography, Clarendon Press, Oxford (1994))
beschrieben. Zur Simulation wird eine am Fraunhofer IST entwickelte Software-Implementation (A. Pflug et al., „Design tools and simulations for plasma proc- essing in large area coaters" (In: Proc. 52nd SVC An- nual Technical Conference Proceedings (2009), p. 364-
369) dieses Verfahrens eingesetzt.
Als Geometrie für die Gastrennungs-Simulation wird ein zweidimensionales Modell zweier benachbarter Va- kuum-Beschichtungskammern 1, 2 ausgewählt, welches an die in Fig. 1 gezeigte Beschichtungsanlage angelehnt ist. Das Beschichtungssubstrat 6 wurde im Modell nicht berücksichtigt, da sich hierdurch der Gastren- nungs-Effekt vergrößern würde und das Modell eine konservative Abschätzung darstellen soll.
Die Abmessung der ersten und der zweiten Beschich- tungskammern 1, 2 beträgt jeweils 800 x 400 mm2 in X- und Y-Richtung, wobei die X-Richtung die Breite und die Y-Richtung die Höhe der Beschichtungskammern 1, 2 angibt. In Z-Richtung wird im 2D-Modell eine Tiefe von 10 mm angenommen, wohingegen in der Realität z.B. Architekturglas-Beschichtungsanlagen eine Tiefe von mehr als 4000 mm aufweisen. Die beiden Begrenzungs¬ ebenen in Z-Richtung sind hinsichtlich des
Partikeltransports als perfekte Spiegelflächen ausge¬ führt, um den zweidimensionalen Charakter des Modells zu realisieren.
Für das Simulationsgitter wurde eine Zellabmessung von 2.5 x 2.5 mm2 in X- und Y-Richtung ausgewählt, in
Z-Richtung erfolgt keine Unterteilung. Damit umfasst die Gesamt-Geometrie 320 x 160 = 51200 Zellen.
Als Spülgas wird das häufig zum Sputtern eingesetzte Argon verwendet. Der Argon-Einlass 10 befindet sich im Zentrum des Verbindungsspalts 7 zwischen der ersten und zweiten Beschichtungskammer 1, 2 wie in Fig. 2A angedeutet. Als Reaktivgas wird 02 verwendet, welches über den Einlass 11 benachbart zum Spalt 7 nur in die erste, linke Beschichtungskammer 1 eingelassen wird .
Die oberen Seiten 12, 13 beider Kammern 1, 2 werden als Pumpflächen ausgelegt. Das Saugvermögen bezogen auf eine Kammertiefe von je 3.25 m wird auf 1.5 m3 ausgelegt, was in etwa dem Saugvermögen von ein bis zwei Turbomolekularpumpen entspricht. In der Simulationsanordnung wird die Kammertiefe auf 1 cm
herunterskaliert, so dass entsprechend an den oberen Pumpflächen jeweils ein Saugvermögen von ca. 4.62 1/s anliegt. Die weiteren Simulationsparameter sind im Folgenden aufgeführt:
10
5xlOn
je 0.5 Pa Ar und 02 Wandtemperatur : 300 K
Gastemperatur am Anfang: 300 K
Ar-Fluss bezogen auf 3.25 m Kammertiefe: 1800 sccm
02-Fluss bezogen auf 3.25 m Kammertiefe : 500 sccm
Saugvermögen der oberen Seite jeder Kammer bezogen auf 3.25 m Kammertiefe: 1.5 m3/s
Spalthöhe : 20 mm
Spaltlänge : 300 mm
Zeit-Schrittweite: 5 ps
Simulations zeit räum : 3 s, d.h. 6000000 Zyklen
Für die elastischen Kollisionen zwischen Ar — Ar, Ar
- O2 und 02 - O2 wird das in „Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows" von G. A.
Bird (Monography, Clarendon Press, Oxford (1994)) be schriebene, „Variable Soft Sphere" Modell mit Parame tern aus derselben Quelle verwandt. Eine korrekte Be Schreibung der Kollisionskinetik ist essentiell für die Beschreibung der Ausbildung des Strömungsprofils und des Gasverdrängungseffekts.
Die Geschwindigkeitsverteilung von Argon sowie die
Druckverteilungen von Argon und Sauerstoff sind in
Fig. 2A bis C gezeigt. Die Figuren 2A bis 2C zeigen die linke und die rechte Beschichtungskammer 1, 2 so wie den die beiden Beschichtungskammern 1, 2 verbindenden Spalt 7. Entlang der linken und unteren Seite der Beschichtungsanlage ist mittels einen X-Y- Koordinatensystems die Abmessung der Beschichtungskammern 1, 2 angedeutet, wobei die linke untere Ecke der linken Beschichtungskammer 1 im Ursprung des Koordinatensystems liegt.
Aus Fig. 2A, welche die Geschwindigkeitsverteilung von Argon in der Beschichtungsanlage zeigt, ist klar erkennbar, dass Argon im Spalt 7 eine Geschwindigkeit von 10 m/s bis 50 m/s besitzt und mit einer Geschwindigkeit von ca. 4 m/s bis 6 m/s beidseitig aus dem Spalt 7 in die Beschichtungskammern 1, 2 ausströmt. Die Geschwindigkeit von 4 m/s bis 6 m/s wird über ei- nen Bereich von ca. 200 mm um den Spalt 7 beibehalten und nimmt mit steigender Entfernung vom Spalt 7 ab, bis die Argon-Geschwindigkeit ein Minimum erreicht.
Nach 600000 Simulationszyklen ä 5 ps entsprechend ei- ner simulierten Gesamtzeit von 3.0 Sekunden hat das
System einen stationären Zustand erreicht. Figur 2B zeigt die Partialdruckverteilung des Argon in der Be- schichtungsanlage im Gleichgewichtszustand. In der Mitte des Spalts 7, im Bereich des Argoneinlasses 10 also, herrscht ein Partialdruck im Bereich von 2 Pa bis 2,5 Pa . In Richtung der Öffnungen 14 des Spalts 7zu den Beschichtungskammer 1, 2 nimmt der Argondruck auf ca. 1,5 Pa ab. In der linken Beschichtungskammer 1, in welcher auch Reaktivgas enthalten ist, sinkt der Argondruck weiter auf ca. 0,97 Pa ab, während der
Partialdruck in der rechten Beschichtungskammer 2 lediglich auf 1,25 Pa abnimmt, da im Wesentlichen kein Reaktivgas vorhanden ist. In Figur 2 ist der mittlere Sauerstoff-Partialdruck in der ersten linken Beschichtungskammer 1 und in der rechten Beschichtungskammer 2 dargestellt. Der 02- Druck ist in der linken Beschichtungskammer 1, in die das 02 direkt über den Reaktivgaseinlass 11 zugeführt wird, am größten und beträgt ca. 530 mPa . Innerhalb des Spalts 7 nimmt der 02-Druck schnell ab, so dass in der rechten Beschichtungskammer schließlich nur noch ein 02-Druck in Höhe von ca. 24,5 mPa herrscht.
Der Reaktivgastrennfaktor beträgt demnach mehr als 21. Im Gegensatz dazu bräuchte man mit der konventio- nellen Methode des differentiellen Pumpens mindestens zwei differentielle Pumpstufen zwischen beiden Kam¬ mern, um einen Reaktivgastrennfaktor in ähnlicher Größenordnung zu realisieren.
Betrachtet man den in Fig. 3 gezeigten, detaillierten Verlauf des 02-Partialdrucks entlang einer Ebene, welche mittig durch den Spalt 7 verläuft und in Figur 2C als gestrichelte Linie dargestellt ist, so fällt auf, dass der Druckabfall im Wesentlichen innerhalb des Spalts stattfindet und dass der Argon-Fluss einen maßgeblichen Einfluss auf den Drucktrennfaktor hat.
So ist der Druckabfall bei einem Argonfluss von ungefähr 600 sccm (Graph 20) mit ca. 430 mPa wesentlich geringer als bei einem Argonfluss von 1200 sccm
(Graph 21), welcher einen Druckabfall von ca. 490 mPa zur. Folge hat. Bei einer weiteren Erhöhung des
Argonflusses auf 1800 sccm (Graph 22) wird ein maximaler Druckabfall von ca. 500 mPa beobachtet, nämlich von einem Druck von 530 mPa auf 24,5 mPa, wie in Figur 2C dargestellt ist.
Zusammenfassend wird durch Ausnutzung des Effekts der Gasverdrängung der Reaktivgastrennfaktor auf einfache und kostengünstige Art und Weise durch Anordnung des Inertgas bzw. Spülgaseinlasses innerhalb eines Verbindungsspalts zwischen benachbarten Beschichtungs- kammern erhöht und somit die Überströmung von Gasen von einer in die benachbarte Kammer vermindert.

Claims

Patentansprüche
Beschichtungsanlage zum Beschichten eines Substrats mit
zumindest einer ersten und einer zweiten Beschichtungskammer , welche jeweils mindestens eine Beschichtungseinrichtung zur Beschichtung des Substrates aufweisen,
mindestens einem Übergangsbereich, welcher die erste und die zweite Beschichtungskammer miteinander verbindet, zum Durchgang des Sub¬ strats von der ersten in die zweite Beschichtungskammer,
mindestens einer Transporteinheit zum Befördern des Substrats von der ersten Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich zur zwei ten Beschichtungskammer, und
mindestens einem Spülgaseinlass zum Zuführen von Spülgas in die erste und/oder zweite Be schichtungs kämmer,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein oder genau ein Spülgaseinlass in dem mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und zweiten Beschichtungs¬ kammer angeordnet ist.
Beschichtungsanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
der Übergangsbereich zumindest an seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und/oder an seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer und/oder ganz oder teilweise auf seiner gan zen Länge in Form eines sich in Transportrich- tung des Substrates erstreckenden Spalts ausge¬ bildet ist.
Beschichtungsanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis zwischen der Länge des Übergangsbereichs in Transportrichtung des Substrats und der Höhe des Spalts quer zur Transportrichtung des Substrats >5:1, insbesondere >10:1 insbesondere > 20 : 1 , ist.
Beschichtungsanlage nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Spalt einen rechteckigen, gekrümmten oder wellenförmigen Querschnitt aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Übergangsbereich zwischen seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer, insbesondere mittig, einen Hohlraum aufweist, in welchem mindestens ein Spülgaseinlass angeordnet ist .
Beschichtungsanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
der einzige oder sämtliche Spülgaseinlässe in dem Hohlraum angeordnet sind.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und die zweite Beschichtungskammer jeweils mindestens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, aufweisen. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtungseinrichtung der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer als Magnetron-Sputterquelle und/oder als Reaktor für chemische oder physikalische Gasphasenabschei- dung, insbesondere für plasmaunterstützte chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, ausgebildet ist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer mindestens einen Reaktivgaseinlass zum Zuführen von Reaktivgas, insbesondere von 02, N2, H2, NH3, N02, N20, C02, CH4, H2S oder einer Mischung dieser, in die jeweilige Beschichtungs¬ kammer aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Transporteinrichtung als Rolleinrichtung mit einer Vielzahl an Rollen ausgebildet ist, wobei im Bereich des Übergangsbereichs angeordnete Rollen insbesondere durch mindestens eine Trennwand voneinander getrennt sind.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Übergangsbereich und der mindestens eine Spülgaseinlass derart ausgebildet sind, dass ein Spülgasdruck im Übergangsbereich höher, insbesondere mindestens um einen Faktor 2, insbesondere um einen Faktor 3 größer, als der Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und als der Spülgasdruck in der zweiten Beschichtungskammer erzeugbar ist. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Spülgas ein Inertgas, welches vorteil¬ hafterweise He, Ne, Ar, Kr und/oder Xe enthält oder daraus besteht, ist.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats,
wobei das Substrat, in einer ersten Be- schichtungskammer beschichtet wird,
durch mindestens einen Übergangsbereich von der ersten Beschichtungskammer in eine zweite Beschichtungskammer transportiert wird, und
in der zweiten Beschichtungskammer beschichtet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
während des Beschichtens des Substrats in der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer und/oder während des Transports des Substrats von der ersten Beschichtungskammer zur zweiten Beschichtungskammer ein Spülgas derart in den Übergangsbereich eingeleitet wird, dass Spülgas aus dem Übergangsbereich in die erste und die zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird .
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
das Spülgas derart unter Druck in den Übergangsbereich eingeleitet wird, dass der Spülgasdruck im Übergangsbereich größer, insbesondere mindestens um einen Faktor 2 größer, ist als der Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und ein zweiter Spülgasdruck in der zweiten Beschichtungskammer .
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülgas ein Inertgas, welches insbesondere He, Ne, Ar, Kr und/oder Xe enthält oder da¬ raus beseht, verwendet wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest während des Beschichtens in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer Gas aus der ersten und zweiten Beschichtungskammer abgepumpt wird und/oder ein Reaktivgas, vorteilhafterweise 02, N2, H2, NH3, N02, N20, C02, CH4 und/oder H2S enthaltend oder Mischungen dieser, in die erste und/oder zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren mit einer Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird .
Verwendung der Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 17 im Bereich der Großflächenbeschichtung für Architekturoder Automobilverglasung mit einer oder mehreren Schichten, insbesondere mit Sonnenschutzschichten und/oder mit niedrig emittierende Schichten, insbesondere metallische und/oder im Infraroten reflektierende Schichten, die bevorzugt in Metalloxidschichten zur Minderung von Reflexionsverlusten im Sichtbaren und zur Farbanpassung eingebettet sind, und/oder für die Photovoltaik zum Aufbringen von Antireflexschichten , Halbleiterschichten und/oder transparenten Elektroden auf ein Substrat .
EP11724964.9A 2010-05-31 2011-05-31 Vorrichtung und verfahren zur reaktivgastrennung in in-line-beschichtungsanlagen Withdrawn EP2576856A1 (de)

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