JP2022521258A

JP2022521258A - モジュラーコーティング設備における基板の搬送および移動のための最適化されたシステムおよび方法

Info

Publication number: JP2022521258A
Application number: JP2021549138A
Authority: JP
Inventors: エッセルバッハ，マルクス; アブラハム，シモン; エベンベルガー，ミヒャエル; フリューク，アンドレアス; ツエガー，オトマー
Original assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2022-04-06
Also published as: US20220242672A1; KR20210130762A; EP3927865A1; WO2020169248A1; CN113677823A

Abstract

本発明は、物理蒸着（ＰＶＤ）コーティング、ＵＶ硬化およびＩＲフラッシングなどの重要なプロセスのための、揺動モードと呼ばれる往復が制限された回転運動と、基板が塗装プロセスモジュールまたは乾燥プロセスモジュールにあるときにおける基板の連続的な回転運動とを容易に切り替えることを可能とするシステムを有する、連続的なインライン製造設備における、塗装モジュール、コーティングモジュールまたは処理モジュールから移動可能であるキャリア上で動かされる基板をコーティングするための解決法を提供する。

Description

本発明は、物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）コーティング、ＵＶ硬化およびＩＲフラッシングなどの重要なプロセスのための、揺動モードと呼ばれる往復が制限された（back and forth limited）回転運動と、基板が塗装プロセスモジュールまたは乾燥プロセスモジュールにあるときにおける基板の連続的な回転運動とを容易に切り替えることを可能とするシステムを有する、連続的なインライン製造設備における、塗装モジュール、コーティングモジュールまたは処理モジュールから移動可能であるキャリア上で動かされる基板をコーティングするための解決法を提供する。

技術背景
複雑な加工ラインで基板を塗装、コーティングおよび処理するためのプロセスが、Ｒｉｂｅｒｏら（ＵＳ１０，０１６，７７４Ｂ２）、Ｓｐａｎｇｌｅｒら（ＵＳ２００９／０２７７３８４Ａ１）およびＫｅｃｋｅｓら（ＵＳ９，４７６，１１６Ｂ２、ＵＳ９，５２９，４５０Ｂ２）によって十分に説明されている。バッチプロセスにおける大きい異なる処理チャンバを使用する代わりに連続的な加工を可能にするモジュラーインライン手法を用いる経済的利点が明らかである。

しかしながら、重要な課題は、エッチング、超音波またはプラズマプロセスによる基板の洗浄；ＰＶＤモジュールごとに少なくとも１つのスパッタターゲットを用いる、マグネトロンスパッタリングまたはアーク放電のいずれかによる、物理蒸着（ＰＶＤ）による単一または多層のシステムのコーティング；コーティング分散剤、ＵＶ硬化ラッカーを噴射する塗装プロセス；ＩＲ源などの熱源による基板のバッキング（backing）、硬化（curing）および／またはＵＶ照射源によるラッカーの硬化（hardening）によるラッカーの処理など、異なるプロセスを各モジュールが利用するということである。すべてのこれらのプロセスは、基板の特定の位置および移動を要求する。各プロセスの速度は、数分以内であるかまたはそれよりもより速く、非常に高速である。したがって、連続的なプロセスを中断することなく１つのタイプの基板の移動を別のものに切替え可能であることが重要である。

各モジュール間における基板の搬送および移動は、通常、搬送ベルトによって動かされるキャリアによって行われる。キャリアは、１つまたは複数の回転スピンドルを支持しており、回転スピンドルは、通常、小さいサイズの基板が設置される円柱形状である。シリンダは、異なる回転速度でスピンドルによって回転しており、加工モジュール内における搬送ベルトの動きと同期され得る。

根本的な問題
課題の１つは、モジュールの各々の間で基板を搬送するための単純で経済的な解決法を提供し、同時に、システムの複雑性を増すことなく、モジュールにおける異なるプロセスに適合された基板の最適化された移動を提供することである。

たとえば、ＰＶＤプロセスにおいて、材料が蒸発されるターゲットに対して基板を正確に位置決めすることは、非常に重要である。堆積プロセスの間に部品が動かない場合、蒸発の不均質性およびターゲットの表面からの材料の拡散に起因して、製造された層は均質にならない可能性が高い。これは、回転するシリンダによって基板がターゲットの前に動かされるためである。ターゲットの前における暴露時間は、コーティング厚さおよびコーティング厚さ分配を決定する。

一方、ＵＶ硬化ラッカーの噴射は、たとえば、基板上への懸濁液粒子の塗装が、硬化プロセスが起こる前に流体相に依然としてとどまり、部品がある方法で動かされなければ流れ出るように、別の基板の移動を要求し得る。ＩＲによる熱処理またはラッカーのＵＶ硬化は、基板上へより均質に熱または光を広げるために、基板のより均質な移動を要求し得る。

この場合における最も単純な解決法は、各プロセスのために回転速度の調節を可能にする、各プロセスのための同じ回転運動を用いることである。これは、コーティング対象または塗装対象となる基板がかなり小さく、円柱支持部上に配置可能である場合のほとんどにおいて適用可能であり得る。

上記技術の場合のこの特定的な状態が、図１に図示されている。ここでは、２つのシリンダ（５）を支持する２つのスピンドルが、物理蒸着チャンバ（１）内において、スパッタターゲット（４）の前に配置されている。コーティング品質および基板上へのコーティング分配を向上させるために、搬送ベルト（３）がさらなる往復運動を実行することを可能とする。この単純な回転モードのための機械的解決法が、図２に示されている。ここでは、スピンドル（５）がキャリア（２）上に設置されている。スピンドルは、移動チェーン（４１）によって駆動されるとともにサーボモータ（４０）によって制御されるスピンドルギア（５１）を有する。

しかしながら、このタイプの移動は、より大形の基板を考えたとき、かなりの制限となり、単純な回転が所望のコーティング品質を生じさせるのに十分でない可能性がある。この状況は、図３に図示されている。ここでは、２つのより大形の基板が円柱形基板支持部の場所においてスピンドル上に設置されている。アクセス可能なコーティングを得るためにスパッタターゲット（４）と基板（７）との間の距離が短いことから、スピンドルは自由円柱回転モードのようには、もはや完全に回転できないことが明らかである。唯一の可能性は、基板上へのコーティング厚さ分配を最適化するために、往復水平移動する搬送ベルトを用いて基板を移動させることである。しかしながら、これらの移動は、モジュールの寸法によって制限される。典型的な大形基板の寸法は０．６ｍ～１．５ｍであるため、往復移動は約－３００ｍｍ～３００ｍｍに制限され得る。このターゲットの前における基板のさらなる往復移動によっても、コーティングは縁部において厚めになり得る。これは、基板がターゲットから完全に離れるようには動かず、基板が通り過ぎる間に他のターゲットの重なりが生じ得るためである。

本発明の目的
本発明の目的は、揺動モードと呼ばれる往復が制限された回転運動と、基板の回転運動とを容易に切り替えることを可能にするシステムを有する、連続的なインライン製造設備における、１つの塗装モジュール、コーティングモジュールまたは処理モジュールから移動可能であるキャリアを提供することである。本発明のシステムは、好ましい追加的な実施形態とともに、以下の段落においてより詳細に記載される。

本発明の解決法および別の起こり得る基板の可能な移動が、図４ａおよび図４ｂに図示される。図４ａは揺動モードのための位置を示し、図４ｂは自由回転モードを示す。搬送ベルトによって１つの塗装モジュール、コーティングモジュールまたは処理モジュールから別のものまで移動可能であるキャリア（２）は、基板ホルダ、または０．６ｍ～１．５ｍの間の長さである大形であるがかなり平坦な基板を支持する、少なくとも１つのスピンドル（７）を備える。かなり平坦とは、基板の長さと高さとの間のアスペクト比が２以上であるが１５００以下であることを意味する。キャリアのベース付近に位置する連結ギア（３０）は、チェーン（４１）によって駆動される。チェーン（４１）は、好ましくはキャリアの下側部分に位置し、両方向におけるチェーンの連続的移動または不連続移動のいずれかを生じさせるサーボモータ（４０）によって制御される。連結ロッド（３１）は、連結ギア（３０）上に軸のある径方向距離において取り付けられるとともに、スピンドルの軸と位置合わせされるスピンドルクランプ（３２）上に取り付けられる。スピンドルクランプ（３２）は、好ましくはディスク形状であり、円錐形、矩形または少なくとも角を有するもののいずれかのある形状を有する、頂部における開口を有する。スピンドルの軸は、スピンドル軸がスピンドルクランプの開口内に配置されるときスピンドルがスピンドルクランプと機械的に繋げられてともに回転可能となるように、好ましくは矩形であるスピンドルクランプの開口インサートの形状に部分的に一致する形状を有する、少なくとも１つの部分（７２）を有する。

連結ロッド長さ、ならびに、スピンドルクランプおよび連結ギア上におけるロッドの取付の位置は、連結ギアが完全に回転しているときに、スピンドルがキャリアの水平面に対して測定される好ましくは＋３０°～－３０°の往復運動を引き起こすように設定される。スピンドルの往復運動または揺動運動の周波数は、サーボモータを介したチェーンのスピードを設定することによって設定可能である。揺動運動の運きは、ある所与の角度および所与のプロセス中の時間において連続または不連続（指標付き）のいずれかであり得る。

スピンドルの揺動運動は、搬送ベルトを介したキャリアの水平方向往復運動によって補完され得る。モジュールの寸法に応じて、この距離はＰＶＤコーティングチャンバにおいて約－３００ｍｍ～３００ｍｍであり得る。

２つの最大角度、好ましくは＋３０°～－３０°の間における揺動運動の周波数は、０．１～１０Ｈｚの間で変更されてもよい。

本発明の器械は、スピンドルの軸がスピンドルクランプ開口の外側に移動するようにスピンドルを上方向に動かすことによって、連結ギアとスピンドルクランプとがともに連結される揺動モードから、標準的な回転モード（図４ｂ）へ切り替えることを可能にする。これは、底部における水力モータによってキャリアを持ち上げることによってなされる。スピンドルは、キャリアの上側に位置するとともに別のサーボモータ（６０）によって駆動されるチェーンシステム（６１）によって回転可能である、スピンドルギア（７１）を備える。この構成において、スピンドルは、スピンドルクランプとはもはや機械的に連結されておらず、チェーンの連続的な動きに伴って連続的に回転可能である。しかしながら、チェーンは、両方向における非連続的な運きも生じさせることが可能であるサーボモータによって制御される。連続的な回転モードがもはや必要とされなくなると、スピンドルは、キャリアが下側初期位置に戻るときに、開始水平位置に戻ることができる。

キャリア上には、第２のスピンドルまたはより多くのものが配置されてもよい。２つのスピンドルの場合、連結ギアは２つのスピンドルの間に位置する。連結ロッドおよびスピンドルクランプの構成は、第２のスピンドルにおいて対称的になる。

このタイプのギアシステムは、キャリアが１つのモジュールから他のものへ移動するときに、連続的な回転モードと揺動モードとを素早く切り替えることを可能にする。

図５ａ、５ｂおよび５ｃは、揺動モードにあるときにＰＶＤコーティングチャンバ（１）においてスピンドル（７）が取り得る異なる位置を示す。図５ａには初期位置が示されている。ここでは、基板（７）は、スパッタターゲット（４）の前にちょうど位置している。基板は、図５ｂにおいて見られるように、初期位置から３００ｍｍの最大距離の、チャンバの左端位置に動かされ得る。この水平移動は、搬送ベルトによってなされる。ここで、－３０°の角度は、基板の縁とターゲットとの間により大きな距離を有することを可能にし、基板の縁におけるコーティング厚さの不均質性を相殺することを可能にする。図５ｃは、基板がコーティングチャンバの右端側に配置されるときの対称的な状態を示す。ここでは、基板の角度は、水平面から３０°である。

図５ａ、５ｂ、５ｃに示される位置は、静止位置、または、それらのそれぞれの周波数の移動によって規定される、往復水平方向運動と基板の揺動運動との間における滑らかな組み合わされた運動のいずれかとして設定されてもよい。これは、コーティング品質、熱への暴露または異なる加工モジュールにおける乾燥プロセスをよりよく制御するためのパラメータを追加する。

本発明の器械の別の利点は、ＰＶＤコーティングの間におけるターゲットにわたる基板の機械的移動をさらに組み合わせ、コーティングチャンバにおける基板の特定的な位置に対応するターゲット上のスパッタリング源の出力を変更する可能性である。特に、往復運動は、ターゲットのマグネトロンスパッタリングの出力源と同期されて、基板がターゲット付近にある間またはターゲットから離れる間、低出力と高出力との間の滑らかな遷移を可能し得る。この方法では、コーティングモジュール内におけるキャリアの往復運動を制限しながら、コーティング厚さの制御が可能である。

図６ａ、６ｂおよび６ｃは、本発明の別の実施形態を示す。ここでは、下側チェーン（４１）によって駆動される連結ギア（３０）が、より小さなギア（３０１）と連結される主要伝達ギア（３００）と軸方向に連結されて、キャリアの寸法に対して変化し得る揺動角度を微調節することを可能にする。連結ロッドは、各側に、連結ロッドの長さを制御および調節可能である２つのスクリュ（３０３）を有する、調節装置（３０２）も備える。この調節は、製造公差変動に起因して、特にスピンドルと連結ギアとの間の距離がかなり大きいときに必要となる。

機械的接続の特定の配置およびスピンドルクランプが取り付けられる範囲は、小ギアの完全回転のみが水平面から－３０°～３０°の間のスピンドルギアの運動を可能にするように設計される。これらの角度の制限は、あるプロセスにおいて重要である。なぜなら、ターゲット、ＩＲランプまたはＵＶランプとプロセスモジュールにおける基板との距離は、非常に近く重要だからである。ＵＶ加工モジュールにおける大形基板の完全回転を誤って引き起こすことによって高価なＵＶ照射源が加工の間にダメージを受けないように、機械的制限を設けるという方法もある。

本発明の器械の別の利点は、１つのモジュールに位置するとき、たとえばＰＶＤコーティングまたはＵＶ硬化の間における大形基板の揺動運動を組み合わせ、大形基板が別のモジュールに位置するとき、たとえば塗布プロセス中に、揺動モードを、十分に回転可能なモードへ変更することが可能であることである。この特定的な場合において、揺動運動または大形基板の静止位置は、塗料または懸濁液の形態のＵＶ硬化ラッカーの塗装が、硬化プロセスが始まる前に流体相に依然としてとどまり、部品が絶えず動かされなければ流れ出るように、最適なものとなり得る。基板の全領域上へより均質にＩＲ源の熱を広げるために、熱源またはＩＲ源による熱処理も基板の回転運動を要求する。

図解として本発明を限定しないように示される異なる実施形態によって、本発明の器械は、より大形の基板のコーティングおよび処理を可能にし、異なるモジュール間で素早く調節可能である、少なくとも２つのサーボモータと、２つのチェーンと、数個のギアとに限られる、単純な搬送および移動システムを保持すると同時に、スピンドルを用いてより小さなサンプルをコーティングする標準的なプロセスを保持することが示される。

ＰＶＤコーティングチャンバにおいて２つの回転可能な円柱形スピンドルを搬送し、２つのスパッタターゲットの前に配置される、キャリア装置の概観を示す図である。サーボモータによって動かされるチェーンによってギアスピンドルを介して駆動される円柱形スピンドルの回転モードの機械的構成を示す図である。ＰＶＤコーティングチャンバにおける大形でかなり平坦な基板のための２つのスピンドルを搬送し、２つのスパッタターゲットの前に配置されるキャリア装置の概観を示す図である。下側位置に配置される大形で平坦な基板を運搬する２つのスピンドルの揺動モードにおける機械的構成を示す図であって、中央のギアが下側チェーンによってスピンドルの揺動運動を生じさせている図である。上側位置に配置される大形でかなり平坦な基板を運搬する２つのスピンドルの回転モードにおける機械的構成を示す図であって、スピンドルギアが上側チェーンによってスピンドルの回転運動を生じさせている図である。ＰＶＤコーティング機器においてＰＶＤターゲットの前の大形でかなり平坦な基板を運搬する２つのスピンドルの揺動モードにおける可能な角度（水平面から－３０～３０°の間）を示す図である。ＰＶＤターゲットに対して左端側位置かつ－３０°の最小揺動角度で配置される揺動モードにおける２つのスピンドルを示す図である。ＰＶＤターゲットに対して右端側位置かつ＋３０°の最大揺動角度で配置される揺動モードにおける２つのスピンドルを示す図である。スピンドルがスピンドルクランプ内かつ水平面と０°の角度で配置されるときの、揺動モードの好ましい実施形態における詳細な機構を示す図である。スピンドルがスピンドルクランプ内かつ水平面と３０°の角度で配置されるときの、揺動モードの好ましい実施形態における詳細な機構を示す図である。伝達ギアおよび連結ロッドを示す、揺動モードの好ましい実施形態におけるギア機構の詳細な頂面図である。

参照番号の一覧
１物理蒸着（ＰＶＤ）コーティングチャンバ
２キャリア
３搬送ベルト
４スパッタターゲット
５スピンドル
７基板ホルダ
３０連結ギア
３１連結ロッド
３２スピンドルクランプ
４０下側サーボモータ
４１下側チェーン
６０上側サーボモータ
６１上側チェーン
７１スピンドルギア
７２特別な形状のスピンドル軸
３００伝達ギア
３０１より小さな連結ギア
３０２連結ロッドのための調節可能装置
３０３連結ロッド長さの調節のためのスクリュ

Claims

搬送ベルトによって、１つの塗装モジュール、コーティングモジュールまたは処理モジュールから別のものへ移動可能であるキャリアであって、前記キャリアは、
－基板ホルダを支持する少なくとも１つのスピンドルを備え、
－前記スピンドルは、スピンドルギアを備え、前記キャリアは、
－チェーンによって駆動される連結ギアを備え、前記連結ギアは、連結ロッドによってスピンドルクランプに連結され、前記スピンドルクランプは、前記少なくとも１つのスピンドルの軸に配置され、前記スピンドルの前記軸を前記スピンドルクランプの内外に移動させることを可能にする少なくとも１つの開口を有し、
前記スピンドルの前記軸は、前記スピンドルの前記軸が前記スピンドルクランプと機械的に連結されるように前記スピンドルクランプの開口インサートの形状に少なくとも部分的に一致する形状を有するとともに、前記スピンドル軸が前記スピンドルクランプの前記開口内に配置されたときに前記スピンドル軸が前記スピンドルクランプとともに回転することを可能にする、少なくとも１つの部分を備えることを特徴とする、キャリア。
前記連結ギアの軸に対する前記連結ロッドの取付の範囲、前記連結ロッドの長さ、および前記スピンドルクランプ軸の前記軸に対する前記連結ロッドの取付の範囲は、前記連結ギアの連続的な回転が前記スピンドルクランプの往復運動をその軸上において生じさせるように設定されることを特徴とする、請求項１に記載のキャリア。
前記連結ギアは、前記連結ロッドが取り付けられるより小さなギアを駆動する別の伝達ギアに軸方向に連結されており、前記より小さなギアの完全回転が前記スピンドルクランプの往復運動を生じさせることを特徴とする、請求項１～２のいずれか一項に記載のキャリア。
前記スピンドルクランプの前記往復運動は、キャリア頂面に平行な水平面に対して３０～－３０°の間であることを特徴とする、請求項２～３のいずれか一項に記載のキャリア。
前記キャリアは、塗装プロセス、コーティングプロセスまたは処理プロセス、および前記スピンドルの前記往復回転運動の間に、前記搬送ベルトによって、モジュール内において水平方向に動かされることが可能であることを特徴とする、請求項２～４のいずれか一項に記載のキャリア。
少なくとも１つのスピンドルは、前記キャリアを持ち上げることによって、前記少なくとも１つのスピンドルの前記軸が前記スピンドルクランプの前記開口の外側に動かされ、そこから連結解除されるように動かされることが可能であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のキャリア。
少なくとも１つのスピンドルは、前記スピンドルギアを介して移動チェーンによって回転されることが可能であることを特徴とする、請求項６に記載のキャリア。
少なくとも１つのスピンドルは、前記移動チェーンの運きと同期して、任意の角度でおよび／または連続的な回転で自由に回転可能であることを特徴とする、請求項７に記載のキャリア。
請求項１～８のいずれか一項に記載のキャリア上における少なくとも１つのスピンドルを動かす方法であって、前記スピンドルが前記スピンドルクランプの前記開口の外側に配置されるとともに、前記スピンドルが前記スピンドルギアを介して移動チェーンによって駆動されるとき、少なくとも１つのスピンドルが自由回転運動をし始めることが可能であることを特徴とする、方法。
請求項１～８のいずれか一項に記載のキャリア上における少なくとも１つのスピンドルを動かす方法であって、少なくとも１つのスピンドルがその軸上で往復回転可能であると同時に、前記キャリアが前記搬送ベルトによって前記モジュール内において水平方向に往復移動していることを特徴とする、方法。