DE4110490A1 - Kathodenzerstaeubungsanlage - Google Patents

Kathodenzerstaeubungsanlage

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Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenzerstäubungsanlage zur Beschichtung von Substraten in einer Vakuumkammer, in der ein rotierender Substratträger untergebracht ist, mit mindestens einer Kathodenstation, einer Beladestation und Entladestation.
In der Vakuumverfahrenstechnik - insbesondere in der Dünnschichttechnik - ist das Beschichten von Substraten, beispielweise von Compact Disks (CD), bekannt. Die Compact Disks sind ein modernes Speichermedium für digi­ tale Informationen. In einem Sputterprozeß werden die geprägten Kunststoffscheiben mit beispielsweise einer Aluminiumschicht von weniger als einem zehntausendstel Millimeter überzogen. Die hierzu eingesetzten Sputterbe­ schichtungsanlagen sind ringförmig aufgebaut. Über eine Schleuse in einem Sauberraum lädt und entlädt ein Roboter die Anlagen. Von der Schleuse aus transportiert ein Sub­ stratträger die Substrate durch die ringförmige Prozeß­ kammer. Das Besputtern erfolgt durch eine Hochleistungs­ zerstäubungskathode, die als Magnetron aufgebaut ist.
Eine solche Anlage ist beispielsweise in der DE 39 12 295 der Leybold AG beschrieben. Dieses bekannte Kathodenzer­ stäubungssystem dient zur einseitigen Beschichtung mit einer laserreflektierenden Aluminiumschicht. Die Anlage hat eine zylindrische, vertikal angeordnete Vakuumkammer mit Be- und Entladestation, Hochleistungszerstäubungs­ kathode, Transportring mit Plattenaufnahme und dynami­ schen Schleusen zur Drucktrennung zwischen Beschichtungs­ kammer und Be- und Entladestation.
Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde: Mit der Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, an der Prozeß- bzw. Vakuumkammer mehr Kathodenstationen, Meßstationen und Stationen mit anderen Funktionen, wie Be- und Entladen der Anlage, unterzubringen, als dies bei Anlagen des Standes der Technik möglich ist. Insbesondere aber soll die Anlage zur gleichzeitigen Beschichtung bei­ der Seiten eines scheibenförmigen Substrats geeignet sein.
Darüber hinaus soll eine Anlage geschaffen werden, die eine hohe Standzeit und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aufweist.
Schließlich soll eine sehr gute, sichere Trennung des Kathodenraums während des Sputtervorgangs vom übrigen Vakuumraum der Anlage erzielt werden.
Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Substratträger aus mindestens einer Transportkelle oder Transportzange gebildet ist, die mit zwei ringförmigen Schließgliedern eines Schleusenventils zusammenwirkt, über das der Raum vor der Station vom übrigen Raum der Vakuumkammer hermetisch abtrennbar ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Patentansprü­ chen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels der Erfindung zu entnehmen. Dieses Ausführungsbei­ spiel wird anhand von fünf Figuren erläutert.
Die Fig. 1 zeigt in axonometrischer Darstellung (stark vereinfacht) ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Kathodenzerstäubungsanlage.
Die Fig. 2 zeigt in einem Schnittbild einen Teilbereich der Zerstäubungskathode mit Beschichtungskammer der An­ lage nach Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf den Substratträger mit insgesamt acht Transportzangen, und die Fig. 4 und 5 zeigen eine Transportzange in gegenüber der Fig. 3 vergrößterter Darstellung.
Aus Fig. 1 ist die kreisscheibenförmige Ausgestaltung der Vakuumkammer, die mit 1 bezeichnet ist, und die aus einem Deckelteil 25 und einem Kammerteile 25 besteht, erkennbar. Die Vakuumkammer ist von einem Rahmen oder Ständer 2 gehalten. Mit 3 ist die Gesamtheit der Be- und Entladestation bezeichnet. Mit 5 ist eine geöffnete Kathodenstation bezeichnet. Die Kathodenstation wird anhand der Fig. 2 näher beschrieben.
In Fig. 1 ist die Vakuumkammer 1 teilweise geöffnet gezeichnet, so daß eine Transportzange 4 sichtbar wird.
Sie besteht aus dem Arm 6 und den beiden Backen 7, 8 mit den zweiarmigen Hebeln 7a, 8a. Der Arm 6 ist an einer zentralen Nabe 6a angeordnet. Die Nabe wird von einer Antriebsvorrichtung entsprechend dem Pfeil A um einen bestimmten Winkel schrittweise von Station zu Station gedreht. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Antriebs­ vorrichtung zentral in bezug auf die Vakuumkammer 1 ange­ ordnet. Mit 11 ist die zentrale Achse der Vakuumkammer 1 bezeichnet.
Fig. 1 zeigt mehrere Kathodenstationen und mehrere Meß­ stationen zur Überprüfung der Arbeitsweise der Anlage. Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten zweier einander gegenüber­ liegend angeordneten Kathodenstationen. Die Gesamtheit einer Kathode ist mit 12 bzw. 12a bezeichnet. Sie umfaßt das Target, das mit 13 bzw. 13a gekennzeichnet ist. Es handelt sich jeweils um eine Hochleistungskathode (Magne­ tronkathode).
Während des Betriebs der Kathode bildet sich im Bereich 14, 14a vor der Kathode 12, 12a ein Plasma, das durch das Magnetfeld der jeweiligen Magnetronkathode verdichtet wird. Aus dem Plasma heraus bombardieren positiv geladene Ionen das Target. Aus dem Target werden Materialpartikel gesputtert. Das Sputtermaterial gelangt auf das Substrat, das in Fig. 2 mit 15 bezeichnet ist. Zwischen der Katho­ de 12, 12a einerseits und dem Substrat 15 und den Backen 7, 8 andererseits ist jeweils eine Maske 17, 17a angeord­ net.
Während des Sputtervorgangs werden die beiden ringförmi­ gen Schließglieder 9, 9a, die über Scharnierbänder 36, 36a an ortsfesten Bolzen 23, 23a schwenkbar angelenkt sind, mit Hilfe von Hydro-Motoren 10, 10a über Kolben­ stangen 16, 16a in Pfeilrichtung B, Ba gegeneinander ge­ preßt, so daß sich deren Dichtungen 18, 18a gegen die Kammerwände bzw. deren kreisringförmige Dichtflächen 20, 20a der Vakuumkammerhälfte 35, 35a legen und den Raum 21 gegenüber dem Raum 22 abtrennen.
In dieser Situation wird da Sputtermaterial auf das Sub­ strat 15 konzentriert. Andererseits wird vermieden, daß die Backen 7, 8 und andere Teile der Transportzange 6 besputtert werden. Durch die Form der Masken 17, 17a wer­ den die Backen 7, 8 und die anderen Teile der Transport­ zange 6 abgeschattet. Gleichzeitig wird eine gute Schichtdickengleichmäßigkeit erzielt. Die beiden Schließ­ glieder 9, 9a, die nach Art der Hälften eines Waffel­ eisens um die ortsfesten Bolzen 23, 23a in den Pfeilrich­ tungen C, Ca schwenkbar an den Vakuumkammerwandhälften 25, 25a gelagert sind, sind in unterschiedlichen Positi­ onen dargestellt: Das Schließglied 9 befindet sich in der "GESCHLOSSEN"-Stellung, während das Schließglied 9a in die "OFFEN"-Stellung geschwenkt ist (eine Situation, die für den praktischen Betrieb der Kathodenzerstäubungsan­ lage nicht vorgesehen ist und hier nur ihre Funktionen verdeutlichen soll).
Die Flansche 37 bzw. 37a der Kathodenstationen 12, 12a, die Kathoden selbst, die Masken 17, 17a, die beiden Hälf­ ten 25, 25a der Vakuumkammer 1 und die Schließglieder 9, 9a bilden während des Sputtervorgangs einen isolierten Vakuumraum 21, der gegenüber dem restlichen Vakuumraum 22 der Kathodenzerstäubungsanlage abgetrennt ist.
Mit 26 bzw. 26 sind Kappen bezeichnet, die an der radial außenliegenden Schmalseite der Vakuumkammer 1 bzw. den beiden Kammerhälften 25, 25a fest angeordnet sind und die der Lagerung und Abdichtung der Schließglieder 9, 9a dienen. Mit 29, 29a, 30, 30a, 31, 31a sind O-Ringe bezeichnet, die der Abdichtung des Kathodenvakuumraums 21 dienen.
In Fig. 3 ist die Nabe 6a mit einer Vielzahl von an ihr fest angeordneten Transportzangen 6, 6′, . . . der Katho­ denzerstäubungsanlage dargestellt.
Jede Transportzange selbst besteht aus einem Arm 6, einem Paar von zweiarmigen Hebeln 7a, 8a, die um Bolzen 32, 33 in Pfeilrichtung D bzw. E schwenkbar sind, und zwar je­ weils gegen die Kraft einer Feder 34. Der motorische An­ trieb zum Öffnen und Schließen der Transportzange 6 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht näher darge­ stellt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist 11 die Rotationsachse, um die die Nabe 6 mit ihren Transportzangen 4 in Takten, d. h. schrittweise, rotiert. Antriebsorgan ist eine zen­ trale Welle 35. In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 trägt diese Transportscheibe die Bezugsziffer 6a. Die Bewegung bzw. das Takten um einen gewissen Winkel wird mit hoher Genauigkeit durch einen Präzisionsschalttisch bewirkt, wie er beispielsweise im Werkzeugmaschinenbau eingesetzt wird.
Das Substrat 15 wird jeweils durch eine Transportzange schrittweise von der Einschleusstation bzw. Ladestation 3 zu den Kathodenstationen 12, 12a der Anlage transpor­ tiert.
Während des Sputtervorgangs wird durch die Erfindung eine sichere Trennung zwischen den Kathodenvakuumräumen 21 und dem restlichen Vakuumraum 22 der Anlage gewährleistet.
Das Substrat 15 kann einseitig oder beidseitig beschich­ tet werden. Bei einer beidseitigen Beschichtung sind in einer Station zwei Kathoden 12, 12a an der Vakuumkammer­ wandhälfte 25 bzw. 25a angeordnet.
Wie Fig. 2 zeigt, sind die beiden Schließglieder 9, 9a (das Schließgliederpaar) als Ringe ausgeformt, deren Außendurchmesser genau dem Innendurchmesser der kreis­ zylindrischen Öffnungen 38, 38a in den beiden Vakuumkam­ merhälften 25, 25a entspricht. Beide Schließglieder weisen jeweils zwei Dichtringe 18, 18a bzw. 29, 29a auf, von denen jeweils der radial innenliegende Dichtring 29 bzw. 29a sich dichtend auf den Arm 6 bzw. die Nabe 6a auflegt (in der Position "GESCHLOSSEN"), wobei die Dicht­ ringe 29, 29a im kappenseitigen Bereich unmittelbar auf­ einander liegen.
Der jeweils radial außen angeordnete Dichtring 18, 18a legt sich in der Position "GESCHLOSSEN" auf den kreis­ ringförmigen Vorsprung 39 bzw. 39a auf, der jeweils ein­ stückig mit den Vakuumkammerhälften 25, 25a (dem Deckel 25 und der Kammer 25a) ausgebildet ist. In der Position "OFFEN" stehen die beiden Schließglieder 9, 9a in einem flachen Winkel zueinander, so daß der Substrathalter bzw. die Arme 6, 6′, . . . weitergedreht werden können. Es ist klar, daß der Abstand, den die beiden Bolzen 23, 23a voneinander aufweisen, stets gleich bleibt, daß diese Bolzen also ortsfest an der Vakuumkammer 1 gehalten bzw. gelagert sein müssen.
Bezugszeichenliste
 1 Vakuumkammer
 2 Rahmen, Ständer
 3 Beladestation bzw. Entladestation
 4 Transportzange
 5 Kathodenstation
 6, 6′, . . . Arm
 6a Nabe
 7 Backe
 7a zweiarmiger Hebel
 8 Backe
 8a zweiarmiger Hebel
 9, 9a Schließglied
10, 10a Hydro-Motor
11 Achse, Rotationsachse, zentrale Achse
12, 12a Kathode
13, 13a Target
14, 14a Bereich, Plasma
15 Substrat
16, 16a Kolbenstange
17, 17a Maske
18, 18a Dichtung
19 Antrieb
20, 20a Innenwand, Dichtfläche
21 Raum
22 Raum
23, 23a Bolzen
24, 24a Wand
25, 25a Deckel, Vakuumkammerhälfte, Kammer
26, 26a Kappe
29, 29a O-Ring
30, 30a O-Ring
31, 31a O-Ring
32 Bolzen
33 Bolzen
34 Feder
35 Welle
36, 36a Scharnierband
37, 37a Kathodenflansch
38, 38a kreiszylindrische Öffnung
39, 39a Vorsprung

Claims (15)

1. Kathodenzerstäubungsanlage zur Beschichtung von Sub­ straten (15) in einer Vakuumkammer (21), in der ein rotierender Substratträger (6, 6′, .., 6a) unterge­ bracht ist, mit mindestens einer Kathodenstation (12, 12a) und einer Beladestation und Entladestation (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Substratträger aus mindestens einer Transportkelle oder Transport­ zange (4) gebildet ist, die mit den beiden ringför­ migen Schließgliedern (9, 9a) eines Schleusenventils zusammenwirkt, über das der Raum (21) vor der Sta­ tion (12, 12a) vom übrigen Raum (22) der Vakuumkam­ mer (1) abtrennbar ist.
2. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportzange (4) ein Sub­ strat (15) umgreift, das vorzugsweise in Richtung der Achse (X) der Kathodenstation (12, 12a) bzw. der Beladestation bzw. der Entladestation (3) bewegbar ist.
3. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportzange (4) aus zwei einander diametral gegenüberliegenden Backen (7, 8) gebildet ist, die beide auf einem Arm (6) schwenkbar gelagert sind, wobei der Arm so aus­ gebildet und angeordnet ist, daß die Backen in Hin­ sicht auf die mit ihnen zusammenwirkenden Teile der Anlage - wie Teile der Zerstäubungskathode, Teile der Beladestation, Teile der Entladestation - während ihrer Bewegung stets parallel zu diesen Tei­ len ausgerichtet sind.
4. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Arm starr - insbesondere als ein um die zentrale Achse (11) rotierendes Bauteil - ausgebil­ det ist.
5. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Arm ein Führungssystem, bestehend aus zwei nebeneinander angeordneten Armelementen, auf­ weist, daß die Armelemente jeweils aus zweiarmigen Hebeln (7a, 8a) bestehen, deren freie Enden die Backen (7, 8) aufweisen.
6. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ netß daß zwischen Kathode einerseits und dem Sub­ strat andererseits eine Maske (17, 17a) angeordnet ist.
7. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß Teile der Kathodenstation - insbesondere die Maske, die Kammerwand, der Deckel, der Arm und die Schließglieder - einen Vakuumraum bilden, der vakuumdicht trennbar ist gegenüber dem restlichen Teil der Vakuumkammer der Kathodenzerstäubungsan­ lage.
8. Kathodenzerstäubungsanlagen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß für eine oder mehrere Transportzangen eine in bezug auf die Kathodenzerstäubungsanlage zentral angeordnete Antriebsvorrichtung vorgesehen ist, die die Transportzange um einen bestimmten Winkel schrittweise in der Vakuumkammer der Kathodenzer­ stäubungsanlage weitertransportiert.
9. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vakuumkammer (1) der Kathodenzerstäu­ bungsanlage senkrecht angeordnet ist, daß die Trans­ portzange bzw. die Transportzangen (7, 8) um eine waagerecht angeordnete Achse (11) rotieren.
10. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die jeweils paarweise zusammenwirkenden Schließglieder (9, 9a) vorzugsweise eine im wesent­ lichen kreisringförmige Konfiguration aufweisen, wobei die jeweils radial außenliegenden Kanten über Gelenkhebel oder Scharnierbänder (36, 36a) an der Wand der Vakuumkammer (1), vorzugsweise an den Vaku­ umkammerhälften (25, 25a), angelenkt sind, so daß die Schließglieder (9, 9a) um quer zur Rotations­ achse (11) verlaufende Achsen (in Pfeilrichtung C, Ca) schwenkbar sind, wobei die Schwenkbewegung über auf den Gelenkhebeln oder Scharnierbändern (36, 36a) gegenüberliegend am Rand der Schließglieder (9, 9a) angeordnete Zuggliedern oder Kolbenstangen (16, 16a) bewirkbar ist.
11. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schließglieder (9, 9a) auf ihren einander zugekehrten Stirnflächen jeweils einen ersten Dichtring (29, 29a) aufweisen, die bei in zur Rotationsachse (11) lotrechter Stel­ lung der Schließglieder (9, 9a) zusammenwirken und gemeinsam mit einem an den Schließgliedern vorge­ sehenen zweiten Paar von Dichtringen (18, 18a), einen im wesentlichen kreiszylindrischen Raum (21) einschließen.
12. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß jede der Vakuumkammerhälften (25, 25a) der Vakuumkammer (1) für jede Be- und Entladestation bzw. für jede Behandlungsstation eine vorzugsweise kreiszylindrische Öffnung (38, 38a) aufweist, die jeweils von außen her durch Teile der Behandlungs­ einrichtung - beispielsweise durch die Kathoden­ flansche (37, 37a) oder durch Schleusenplatten - verschließbar ist, wobei die Vakuumkammerhälften (25, 25a) der Vakuumkammer (1) außerdem im Bereich der Öffnung (38, 38a) in der Ebene der Berührungs­ flächen der beiden Hälften (25, 25a) in die Öffnung (38, 38a) hineinrangende, kreisringförmige Vorsprün­ ge aufweisen, die mit Dichtflächen (20, 20a) verse­ hen sind, die mit den Dichtringen (18, 18a) der Schließglieder (9, 9a) zusammenwirken.
13. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Schließglied (9, 9a) einen Dichtring (29, 29a) aufweist, der mit der Nabe (6a) zusammen­ wirkt und der sich in der Position "GESCHLOSSEN" dichtend auf die korrespondierende Fläche der Nabe (6a) legt bzw. sich in der Position "OFFEN" von dieser Fläche abhebt.
14. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Schließglied (9a, 9b) an seiner der Rotationsachse (11) abgekehrten Seite mit einem Hebel oder Scharnierband (36, 36a) versehen ist, daß jeweils auf einem Bolzen (23, 23a) schwenkbar gela­ gert ist, der Teil der Vakuumkammerhälfte (25, 25a) ist, oder aber unmittelbar von der Vakuumkammerhälf­ te (25, 25a) gehalten ist.
15. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils dem Scharnierband (36, 36a) gegen­ überliegend am Schließglied (9, 9a) ein Hebel (38, 38a) fest angeordnet ist, der mit einem Zuganker oder einer Betätigungsstange oder -glied (16, 16a) zusammenwirkt, wobei die Wirkrichtung etwa lotrecht zur Fläche der Nabe (6a) der Transportzange (6) verläuft.
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