Vorrichtung und Verfahren zum Beschichten von plattenförmigen oder bandförmigen metallischen Substraten

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten von Platten oder Bändern aus Metall unter Vakuumbedingungen, bei denen das Abscheiden einer Schicht vorrangig durch Prozesse der chemischen Dampfabscheidung erfolgt.

Stand der Technik

Vorrichtungen und Verfahren auf dem Gebiet der physikalischen Dampfabscheidung als auch auf dem Gebiet der chemischen Dampfabscheidung sind hinlänglich bekannt. Bei Vorrichtungen und Verfahren der chemischen Dampfabscheidung (auch unter dem Kürzel CVD bekannt) wird oftmals ein Precursorgas in eine Vakuumkammer eingelassen, wobei sich chemische Reaktionsprodukte des Precursorgases auf einem zu beschichtenden Substrat abscheiden. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind insbesondere geeignet, um großflächige Substrate zu beschichten bzw. um hohe Beschichtungsraten zu erzielen. Negativ wirkt sich bei CVD-Prozessen aus, dass es sich bei diesen um ungehchtete Prozesse handelt, bei denen sich die Reaktionsprodukte neben einem zu beschichtenden Substrat auch auf allen anderen ungeschützten inneren Bestandteilen einer Vakuumkammer niederschlagen.

Bei der physikalischen Dampfabscheidung (auch unter dem Kürzel PVD bekannt) wird ein zu beschichtendes Material entweder durch Wärmezufuhr (Verdampfen) oder durch Zerstäuben (Sputtern) in die Dampfphase überführt und anschließend auf einem zu beschichtenden Substrat abgeschieden. Beim so genannten Magnetronsputtern brennt eine Magnetronentladung auf einem Target, welches als Kathode der Entladung geschaltet ist und das Beschichtungsmaterial bevorratet. Magnetronsputterprozesse sind ebenfalls zum Beschichten von Platten und Bändern geeignet, insbesondere auch dann, wenn dünne Schichten mit gleich bleibenden Schichteigenschaften abgeschieden werden sollen. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass es sich beim Zerstäuben um einen gerichteten Prozess handelt. Durch geeignete Maßnahmen können die zerstäubten Partikel vorrangig in Richtung Substrat beschleunigt werden, wodurch Parasitärbeschichtungen an Teilen der Vakuum ^¬ kammereinrichtung verringert werden können.

Die Eigenschaften der beim Magnetronsputtern aufwachsenden Schichten werden auch durch das bei der Entladung entstehende Plasma beeinflusst. Oft ist ein intensives Plasma am Substrat erwünscht, um gute Schichteigenschaften zu erlangen. Die höchste Intensität des Plasmas befindet sich jedoch in der Nähe des Targets und nicht am Substrat, so dass die Wirkung des Plasmas für die am Substrat aufwachsenden Schichten begrenzt bleibt.

Durch Einlass eines Reaktivgases in eine Vakuumkammer kann der Abscheideprozess auch reaktiv erfolgen, d. h. dass die Schicht als ein Produkt aus dem Material des Targets und dem Reaktivgas gebildet wird. Beim reaktiven Magnetronsputtern wird allerdings das Target ebenfalls mit Reaktionsprodukten belegt, wodurch Parameter der Entladung und die Eigenschaften der am Substrat aufwachsenden Schichten beeinflusst werden können. Bei vielen Schichtsystemen muss der Abscheideprozess durch aufwändige Regelprozesse stabilisiert werden.

Als Reaktivgas beim Magnetronsputtern kann auch ein Precursor in eine Vakuumkammer eingelassen werden. Damit wird sowohl eine chemische Dampfabscheidung durch Aufspalten der Moleküle des Precursors im Plasma der Magnetronentladung und eine Kondensation der Spaltprodukte auf dem Substrat als auch ein physikalische Dampf- abscheidung durch Zerstäuben und Abscheiden des Targetmaterials erreicht.

Aus WO 03/048406 sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die sowohl Merkmale von CVD- als auch von PVD-Prozessen vereinen. Innerhalb einer Vakuumkammer wird auf einer Kathode angeordnetes Targetmaterial auf physikalischem Wege zerstäubt. Gleichzeitig kann auch ein Precursor in die Vakuumkammer eingelassen werden, wodurch sich Reaktionsprodukte aus dem zerstäubten Targetmaterial und dem Precursor auf einem zumindest in Anodennähe angeordneten plattenförmigen Substrat abscheiden. Dabei befindet sich auf der nicht zu beschichtenden Seite des Substrates ein Magnetron derart, dass dessen Magnetfeld vorrangig über der Oberfläche der zu beschichtenden Seite des Substrates ausgebildet wird. Auf diese Weise kann die Intensität des Plasmas in Substrat- nähe etwas erhöht werden. Nachteilig wirkt sich hierbei aber immer noch aus, dass aufgrund des Precursorgases alle Bestandteile im Inneren der Vakuumkammer beschichtet werden und hier insbesondere die Targetoberflächen, da in deren Umgebung die höchste Plasmadichte vorliegt. Insbesondere beim Abscheiden von elektrisch isolierenden Schichten wird der Prozess des Zerstäubens dadurch erheblich gestört, wobei die Entladung in kurzer Zeit auch vollständig ausfallen kann. Des Weiteren wird eine Erhöhung der Plasmaintensität

in Substratnähe aufgrund des zusätzlichen Magnetfeldes nur in einem geringen Maße erzielt.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mittels denen die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollen es Vorrichtung und Verfahren ermöglichen, Schichten auf plattenförmigen oder bandförmigen metallischen Substraten mittels CVD-Prozessen abzuscheiden, bei denen auch elektrisch isolierende Schichten langzeitstabil und mit homogenen Eigenschaften abgeschieden werden können.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten von mindestens einem plattenförmigen oder bandförmigen metallischen Substrat zeichnen sich aus durch eine Vakuumkammer, in welcher ein Magnetron-Permanent- magnet derart auf der nicht zu beschichtenden Seite des Substrates angeordnet ist, dass dessen Magnetfeld über der Oberfläche der zu beschichtenden Seite des Substrates ausgebildet wird, wobei mittels einer Zuführung ein Precursor in die Vakuumkammer einlassbar ist und das Substrat zumindest zeitweise als Kathode einer Magnetronentladung geschaltet ist. Dadurch, dass die geschlossene Spur der Magnetronentladung (auch Rennbahn ge- nannt) direkt über der zu beschichtenden Seite des Substrates brennt, wird dort ein Plasma mit einer sehr hohen Intensität erzeugt, was zum Erhöhen der Beschichtungsrate beiträgt. Vorteilhaft wirkt sich hierbei ebenfalls aus, dass es sich um ein kathodenseitiges Plasma handelt. Die ionisierten Materialpartikel im Plasma, welche überwiegend eine positive elektrische Ladung aufweisen, werden aufgrund des kathodisch geschalteten Substrats von diesem angezogen und somit noch einmal beschleunigt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren sind daher besonders geeignet, dichte und gegebenenfalls harte Schichten abzuscheiden. Die elektrische Spannung zwischen Kathode und Anode beträgt erfindungsgemäß 100 V bis 500 V. Beim Einspritzen des Precursors ist es vorteilhaft, wenn dieser mittels mehrerer gleichmäßig verteilter Düsen direkt in die Plasmazone über der zu beschichtenden Substratoberfläche

eingelassen wird. Eine gleichmäßige Bewegung des Substrates in Beschichtungsrichtung mit konstanter Geschwindigkeit führt zu einer homogenen Schicht auf der Substratoberfläche.

Bei einer Ausführungsform wird dem Substrat der Entladungsstrom gepulst zugeführt. Dies ist beispielsweise vorteilhaft beim Abscheiden von elektrisch isolierenden Schichten. Auch das Anlegen einer Wechselspannung ist möglich. Je nach Anforderung bezüglich der elektrischen Eigenschaften der abzuscheidenden Schichten und der Schichtdicke wird eine Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 500 kHz gewählt.

Für die Entladung wird eine weitere Elektrode benötigt, die als Anode geschaltet wird. Als Anode kann beispielsweise eine metallische Vakuumkammerwand verwendet werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform weist ein zu beschichtendes Substrat das gleiche elektrische Potential auf wie die Vakuumkammer. Daher ist es erforderlich eine separate Anode in der Vakuumkammer einzubringen. Die Anode wird dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass diese der zu beschichtenden Seite des Substrates gegenüber liegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anode topfförmig ausgebildet, wobei die öffnung dem Substrat zugewandt ist. Anode und Substrat begrenzen auf diese Weise zumindest teilweise ein Volumen, in welchem der Einlassstutzen des Precursors endet. Die Grundfläche des „Anodentopfes" kann dabei jegliche runde, ovale oder auch eckige Form aufweisen.

Um zu verhindern, dass die Magnetronentladung in unerwünschter Weise auf andere Bestandteile innerhalb der Vakuumkammer überspringt, ist eine elektrische Abschirmung vorteilhaft, welche haubenförmig ausgebildet die Anode umschließt. Die zum Substrat hin gerichtete öffnung der haubenförmigen Abschirmung (auch Dunkelfeldabschirmung genannt) wird nahe an das Substrat herangezogen. Hierdurch wird auch ein partieller überdruck des einströmenden Precursors im von Anode und Substrat begrenzten Volumen erzeugt. Der Spalt zwischen dem Substrat und der metallischen Abschirmung wird dabei so klein ausgelegt, dass das Plasma im von Anode und Substrat begrenzten Volumen konzentriert bleibt. Für eine wirksame Dunkelfeldabschirmung sollte der Spalt zwischen Substrat und Abschirmung einen Bereich von 1 mm bis 10 mm nicht überschreiten. Dieser Spalt kann jedoch beispielsweise dann größer ausgebildet werden, wenn zwischen Substrat und Abschirmung ein metallisches Blech oder ein Stapel voneinander beabstandeter metallischer Bleche, welche im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche verlaufen,

angeordnet wird/werden. Dabei sollte jedoch auch der Abstand zwischen Abschirmung und benachbartem Blech, zwischen den einzelnen benachbarten Blechen und zwischen Substrat und benachbartem Blech nicht größer als jeweils 1 mm bis 10 mm sein. Auf diese Weise kann einerseits der Querschnitt vergrößert werden, durch den das Gas aus dem von Anode und Substrat begrenzten Volumen in den äußeren Bereich der Vakuumkammer strömen kann, andererseits wird verhindert, dass die Entladung aus dem von Abschirmung und Substrat begrenzten Volumen heraus brennt.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Magnetron innerhalb der Vakuumkammer an- geordnet, mittels dem ein Anteil des für die Schichtabscheidung benötigten Materials durch Zerstäuben eines Targets auf dem Magnetron bereitgestellt wird. Dabei ist eine Elektrode des Magnetrons zeitweise als Anode bezüglich der Substrat-Kathode geschaltet. Substrat und Elektrode werden periodisch abwechselnd als Kathode bzw. Anode geschaltet. Für das Zerstäuben des Targets ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zum Precursor noch ein Sputtergas in die Vakuumkammer eingelassen wird.

Eine weitere Ausführungsform ergibt sich, wenn die für die Magnetronentladung auf dem Substrat erforderliche Anode durch ein heißes verdampfendes Material gebildet wird. Das Verdampfungsmaterial wird hierbei in einem Tiegel gelagert und als Anode der Magnetron- entladung geschaltet. Als Energiequelle für das Verdampfen wird vorzugsweise ein Elektronenstrahl verwendet, der von einer Elektronenkanone generiert wird. Je nach Verdampfungsmaterial kann die Energiequelle für die Verdampfung auch eine andere sein, wie beispielsweise ein Strahlungsheizer oder Induktionsverdampfer. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Anode durch die Verdampfung stets von Ablagerungen des CVD-Prozesses freigehalten wird und dem Prozess über eine lange Zeit eine metallische

Oberfläche mit gutem Kontakt zum Plasma anbietet. Auf diese Art und Weise wird Material vom Verdampfungsgut zusätzlich in die abzuscheidende Schicht eingebaut. Diese Ausführungsform eignet sich daher auch besonders zum Abscheiden von elektrisch isolierenden Schichten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 101 dargestellt, mittels der innerhalb einer Vakuumkammer 102 auf einem 100 m langen, 50 cm breiten und 0,5 mm dicken band- förmigen Stahl-Substrat 103 eine transparente und harte Schicht abgeschieden werden soll. Hierzu wird über einen Einlass 104 der Precursor HMDSO in die Vakuumkammer 102 eingelassen. Auf der nicht zu beschichtenden Seite des Substrates 103 ist ein Magnetron- Permanentmagnet 105 derart angeordnet, dass dessen Magnetfeld über der Oberfläche der zu beschichtenden Seite des Substrates 103 ausgebildet wird. Auf der zu beschichtenden Seite des Substrates 103 befindet sich innerhalb der Vakuumkammer 102 eine topfförmige Anode 106, welche aus Kupfer besteht und wassergekühlt ausgebildet ist. Mittels einer nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung wird zwischen dem über einen Schleifkontakt als Kathode geschalteten Substrat 103 und der Anode 106 eine elektrische Spannung von etwa 200 V angelegt, wodurch eine Entladung zwischen Kathode 103 und Anode 106 gezündet und ein Plasma 107 ausgebildet wird. Dabei weist das Plasma 107 die höchsten Intensitäten in den Bereichen auf, in denen das Magnetfeld des Magnetron- Permanentmagneten 105 über der Substratoberfläche ausgebildet wird.

Damit sich das Plasma hauptsächlich in dem von Anode 105 und Substrat 103 begrenzten Bereich ausbildet, umschließt eine haubenförmige Abschirmung 108, deren öffnung zum Substrat hin ausgerichtet ist, die Anode 105. Die Abschirmung 108 besteht aus Stahlblech und ist als so genannte Dunkelfeldabschirmung ausgebildet. Zwischen dem Rand der Abschirmung 108 und dem Substrat 103 ist ein Stapel von 2 mm dicken Kupferblechen 109 angeordnet, die jeweils 3 mm voneinander beabstandet und weitgehend parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet sind. Durch die Kupferbleche wird einerseits die Dunkelfeldabschirmung aufrechterhalten und andererseits der Querschnitt vergrößert, durch den das Precursorgas bzw. dessen Spaltprodukte aus dem von Abschirmung und Substrat begrenzten Bereich entweichen und von Pumpeinrichtungen der Vakuumkammer abgepumpt werden können.

Mittels der beschriebenen Einrichtung konnte eine transparente Schicht abgeschieden werden, welche vorrangig die Elemente Si, C und O umfasst, die eine Härte von 18 GPa aufweist und bei der das Verhältnis von Sauerstoff und Silizium eins zu drei bezüglich derer Atomprozente beträgt.

Eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 201 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Innerhalb einer Vakuumkammer 202 soll auf einem 200 m langen, 30 cm breiten und 1 mm dicken bandförmigen Aluminium-Substrat 203 eine Ti:C:H-Schicht abgeschieden werden. Hinter dem Substrat 203 ist wiederum ein Magnetron-Permanent- magnet 205 angeordnet, welcher über der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates 203 ein Magnetfeld ausbildet. Die für die Schichtabscheidung erforderlichen chemischen Elemente werden einerseits über einen Zufluss 204, durch den der Precursor Azetylen in die Vakuumkammer 202 gelangt und andererseits in einem Verdampfertiegel 210, in welchem Titanmaterial 21 1 gelagert ist, bereitgestellt. Eine Elektronenkanone 212 erzeugt einen Elektronenstrahl 213, mittels dem die Oberfläche des Titanmaterials 21 1 periodisch abgerastert, dadurch erhitzt und letztendlich in die Dampfphase überführt wird. Das Anlegen einer Spannung von 300 V zwischen dem als Kathode geschalteten Substrat 203 und dem als Anode geschalteten Verdampfertiegel 210 samt Titanmaterial 21 1 führt zu einer Magnetronentladung zwischen Kathode und Anode sowie zum Ausbilden eines Plasmas 207 mit einer hohen Plasmadichte direkt über der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates 203. Die Reaktionspartikel aus dem verdampften Titan und den Precursorbestandteilen werden an der Substratoberfläche abgeschieden. Der Abscheidevorgang wird dabei noch durch den Sachverhalt, dass das Substrat als Kathode geschaltet ist, verstärkt, da der überwiegende Anteil der ionisierten Materialpartikel im Plasma mit einer positiven elektrischen Ladung versehen sind.

Auch hier ist, wie bereits zu Fig. 1 beschrieben, die Anode (Verdampfertiegel 210 und Titanmaterial 21 1) mit einer elektrischen Abschirmung 208 versehen, welche die Anode umschließt und substratseitig offen ausgebildet ist, wobei zwischen dem Rand der Abschirmung und dem Substrat 203 ebenfalls wieder ein Stapel voneinander beabstandeter Bleche 209 aus Kupfer angeordnet ist.