Substraten und Verfahren zum Beschichten einzelner Substrate oder

Substratgruppen in einer Inline-Beschichtungsanlage

Die Erfindung betrifft eine Inline-Anlage zum Beschichten von einzelnen oder von Gruppen von Substraten, die mehrere hintereinander angeordnete, über Pumpen evakuierbare Kammern aufweist, nämlich eine Einschleusekammer, eine Wartekammer, mindestens eine Prozesskammer, eine weitere Wartekammer und eine Ausschleusekammer, die von den Substraten oder Substratgruppen nacheinander durchlaufen werden und die durch Ventile jeweils verschließbar sind.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beschichten einzelner Substrate oder Substratgruppen in einer solchen Inline-Beschichtungsanlage.

Werkstückbeschichtungen werden beispielsweise eingesetzt, um die Verschleißfestigkeit und die Standzeit von Bauteilen zu erhöhen. Vielfach dienen Werkzeugbeschichtungen auch als Korrosionsschutz oder zur Verbesserung von physikalischen Eigenschaften. Die hier angesprochenen Verfahren sind die chemische Dampfabscheidung (CVD) oder die physikalische

Dampfabscheidung (PVD), die gegenüber der CVD den Vorteil einer deutlich niedrigeren Abscheidetemperatur besitzt. Neben den chargenbetriebenen Verfahren in sog. Batch-Anlagen, in denen eine große Anzahl von Werkstücken in einem Beschichtungsgefäß während des Beschichtens feststehend angeordnet ist, werden Beschichtungen auch in einem kontinuierlichen Prozess vorgenommen, bei dem die Substrate in Durchlaufanlagen nacheinander verschiedene Stationen durchlaufen. Diese Stationen werden durch verschiedene Kammern einer Inline-Anlage realisiert, in denen das für die Durchführung von CVD- oder PVD-Prozessen notwendige Vakuum erzeugt, die Werkstückoberflächen geätzt und beschichtet werden, ggf. durch zwei Lagen, die nacheinander aufgetragen werden. Bei sehr dünnen Schichten wie z.B. bei optischen Schichten oder Beschichtungen für Batterien und Brennstoffzellen wird die Evakuierungs- und Belüftungszeit zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt, durch den die Produktivität der Anlage definiert wird. Beispielsweise werden für das Oberflächenätzen sowie das Beschichten jeweils ca. 1 min benötigt, wohingegen das Be- und Entladen ggf. in weniger als 1 min per Roboter erfolgen kann. Aufgrund technischer Limitierungen kann in derart kurzen Zeiten kein Ein- bzw. Ausschleusevorgang erfolgen. Die technisch machbare Grenze für diese Vorgänge scheint bei etwa 2 min zu liegen.

In Fig. 1 ist ein aus fünf Kammern bestehende, nach dem Stand der Technik bekannte Anlage skizziert, die aus einem Beladebereich, einer Einschleusekammer, einer Ätzkammer, zwei aufeinanderfolgenden Beschichtungskammern, einer Ausschleusekammer und einem Entladebereich besteht. Die genannten Kammern sind jeweils mit Pumpen versehen und mit Ventilen verbunden, so dass Sie wahlweise und unabhängig voneinander be- und entlüftet werden können.

In Fig. 1 sind fünf unterschiedliche Beladezustände skizziert, die mit Zeilennummern 1 , 2, 3, 4 und 5 benannt sind. Die Werkstücke tragen die Bezugszeichen 11 , 12, 13, 14 und 15. Die Beschichtungskammern sind so ausgebildet, dass jeweils eines der Werkstücke 11 bis 15 aufgenommen werden kann. Das Werkstück 15 befindet sich im sog. Beladebereich, wohingegen in der Einschleusekammer das Werkstück 14 temporär gelagert wird, bis der erforderliche Vakuum-Druck erreicht ist. Gleichzeitig wird das Werkstück 13 in einer Ätzkammer geätzt sowie das Werkstück 12 in einer ersten Beschichtungskammer mit einer ersten Beschichtung und das Werkstück 11 in einer zweiten Beschichtungskammer mit einer zweiten Beschichtung (als Außenschicht auf die erste Beschichtung) versehen.

Konkret betragen die Evakuierungs- und Belüftungszeiten der Anlage jeweils 2 min. In dem zweiten Schritt (zweite Zeile) werden die Werkstücke 11 , 12, 13 und 14 nach Öffnen der entsprechenden Ventile jeweils in die nächste Kammer geschoben, nämlich das Werkstück 14 in die Ätzkammer, das Werkstück 13 in die erste Beschichtungskammer und das Werkstück 12 in die zweite Beschichtungskammer sowie das Werkstück 11 in die Ausschleusekammer. Das Ende dieses Transfers ist in der dritten Zeile dargestellt. Hiernach wird die Einschleusekammer zum Einführen des Werkstückes 15 geöffnet und gleichzeitig das Werkstück 11 aus der Ausschleusekammer nach Belüften herausgeführt, was in der vierten Zeile dargestellt ist.

Sobald das Werkstück 15 in der Einschleusekammer positioniert ist und das Werkstück 11 aus der Ausschleusekammer in den Entladebereich transportiert ist, werden die Ventile der Einschleusekammer sowie der Ausschleusekammer wieder geschlossen, wonach die Einschleusekammer evakuiert wird. Gleichzeitig ist die Oberflächenätzung die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung der jeweiligen Werkstücke, die sich in den betreffenden Kammern befinden, abgeschlossen. In der letzten Zeile, die ebenfalls mit der „Ziffer 1“ versehen ist, ist die Bereitstellung eines weiteren Werkstücks 16 angedeutet.

Der vorstehend geschilderte Durchlaufprozess hat eine Taktzeit, die durch die Evakuierungszeit von 2 min vorgegeben wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Inline-Anlage der eingangs genannten Art bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine höhere Produktivität erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Inline-Anlage nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst.

Erfindungsgemäß werden die Einschleuse- und die Ausschleusekammer jeweils vergrößert, so dass sie eine Durchlauflänge zur gleichzeitigen Aufnahme von n hintereinander oder nebeneinander angeordneten Substraten oder Substratgruppen besitzen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die zwischen der Einschleusekammer und der Prozesskammer sowie zwischen der Ausschleusekammer und der Prozesskammer angeordnete Wartekammer hat eine Kapazität zur Aufnahme von (n-1 ) Substraten oder Substratgruppen, wohingegen die Kapazität der Behandlungskammern jeweils auf die Aufnahme von einem Substrat beschränkt ist. Die Einschleuse- und die Ausschleusekammern sind vorzugsweise n-mal so lang wie die Behandlungskammern, nämlich der gleichlangen Kammern zum Ätzen und zum Beschichten, während die Wartekammern n-1 mal so lang wie die Behandlungskammern sind. Hierdurch wird erreicht, dass in der Entlüftungskammer gleichzeitig für n Substrate oder Substratgruppen ein für die Prozessdurchführung notwendiges Vakuum hergestellt wird. Der zeitintensivste Vorgang des Ent- und Belüften „verteilt“ sich somit auf n Substrate bzw. n Substratgruppen, so dass die zeitintensivsten Schritte der beiden äußeren Kammern (zum Be- und Entlüften) nur noch in jedem n-ten Takt durchgeführt werden müssen und die Taktzeit der anderen Kammern, die wesentlich kürzer ist, erhalten bleiben kann. Die Vergrößerung der beiden äußeren Kammern (nämlich der Einschleuse- und der Ausschleusekammer) sowie die Einfügung jeweiliger Wartekammern führt zwar zu einer Steigerung der Anlagekosten, jedoch steht dem die n-fache Vergrößerung der Produktivität der Anlage entgegen. In jedem Fall sind die zusätzlichen Anlagekosten deutlich geringer als die Aufstellung mehrerer Fertigungsstraßen, um dieselben Taktverhältnisse zu ermöglichen.

Vorzugsweise besitzt die Inline-Anlage als erste Prozesskammer eine Ätzkammer sowie mindestens eine Beschichtungskammer, vorzugsweise zwei Beschichtungskammern für die Abscheidung aufeinanderfolgender Schichten. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Beschichtungskammern eine PVD-Einrichtung auf.

Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen jeweiligen Ätz- und/oder Beschichtungsbehandlungen die Substrate oder Substratgruppen im Verbund von der Einschleusekammer über die Wartekammer in die Behandlungskammer und eine weitere Wartekammer in die Ausschleusekammer so bewegt und so behandelt werden, dass in aufeinanderfolgenden Schritten die Einschleusekammer mit n Substraten oder n Substratgruppen und jede der Behandlungskammer mit jeweils nur einem Substrat oder einer Substratgruppe belegt sind und die Wartekammern frei von Substraten oder Substratgruppen sind. In einem nächsten Schritt, der sich anschließt, werden die Substrate oder Substratgruppen im Verbund vorwärtsbewegt, so dass nach Abschluss dieses Schrittes ein aus jeder Behandlungskammer ausgeschleustes Substrat oder eine ausgeschleuste Substratgruppe durch ein nachgeführtes Substrat oder eine nachgeführte Substratgruppe ersetzt wird und dass nach einer Teilbelegung der Wartekammer die Belegung der Einschleusekammer mit n Substraten oder Substratgruppen vorgenommen wird, wonach sich die vorbeschriebene Abfolge der Substratbewegung und Kammerbelegung sukzessive wiederholt.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass jeweils die maximale Belegungsrate der Einschleuse- und Ausschleusekammern um den ganzzahligen Faktor n größer ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Fig. 2 bis Fig. 4 dargestellt.

In Fig. 2, Zeile 1 ist zu entnehmen, dass die Einschleusekammer E sowie die Ausschleusekammer A etwa doppelt so lang sind wie die übrigen Kammern, nämlich die beiden Wartekammern Wi, W2 sowie die mittig angerordneten Behandlungskammern B, im vorliegenden Fall die Ätzkammer Bi , Beschichtungskammer B2 und Beschichtungskammer B3. In der Einschleusekammer sowie der Ausschleusekammer sind die Substrate 21 , 22 sowie 26, 27 angeordnet, wohingegen sich zur selben Zeit Substrate 23, 24, 25 in der Ätzkammer, der ersten Beschichtungskammer und der zweiten Beschichtungskammer befinden. Die Wartekammern sind leer. Die Ventile zwischen den einzelnen Kammern sind geschlossen, so dass die Einschleusekammer auf den für die PVD-Behandlung notwendigen geringen Druck evakuiert werden kann. Die Ausschleusekammer wird während der Evakuierung der Einschleusekammer bereits belüftet. Gleichzeitig wird in der Ätzkammer Bi das Substrat 25 behandelt sowie in den Beschichtungskammern B2, B3 die Substrate 23, 24 beschichtet. Nach Abschluss der durch die Pumpbehandlung definierten Zeit werden die Ventile zwischen der Einschleusekammer E und der ersten Wartekammer W1 sowie von der Wartekammer W1 zur Ätzkammer Bi und von dort aus zu den Beschichtungskammern B2, B3 bis hin zur zweiten Wartekammer W2 jeweils geöffnet. Durch Öffnen des letzten Ventils in der Ausschleusekammer A kann diese belüftet werden. Die Substrate 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27 werden jeweils in die benachbarte Kammer (im Bild in Zeile 2 nach rechts) jeweils zwei Kammern weiter geschoben bis die in der dritten Zeile dargestellte Belegungsrate erreicht ist, in der die Einschleusekammer E sowie die Ausschleusekammer A völlig entleert sind und sich in der Ätzkammer Bi sowie den beiden Beschichtungskammern B2, B3 jeweils ein Substrat befindet. Die Substrate 23, 27 sind in den Wartekammern angeordnet; die beiden fertig behandelten Substrate 21 , 22 sind gleichzeitig ausgeschleust worden.

In der Zeile 4 wird dargestellt, wie die Einschleusekammer E mit zwei Substraten 28, 29 beladen wird und gleichzeitig das Substrat 27 in die Ätzkammer Bi und die Substrate 25, 26 in die Kammern B2, B3 zur ersten bzw. zweiten Beschichtung weitergeführt werden. Das bisher in der zweiten Wartekammer W2 angeordnete Substrat 23 wird gleichzeitig in die Ausschleusekammer A überführt, so dass sich schließlich die Anfangssituation wiedereinstellt, bei der in der Einschleusekammer E zwei Substrate 28, 29 und in den Behandlungskammern Bi bis B3 jeweils ein Substrat 25, 26, 27 und in der Ausschleusekammer A ebenfalls zwei Substrate 23, 24 angeordnet sind. Der Vorgang startet nunmehr erneut. Jeweils dargestellte Ventile, die z.B. als Schiebeventile ausgebildet sind, werden nur dann geöffnet, wenn ein Substrat von einer Kammer zur nächsten Kammer befördert werden soll. Die endseitigen Ventile der Einschleusekammer E und der Ausschleusekammer A werden nur zum Belüften geöffnet. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass sukzessive jeweils zwei Substrate oder Substratgruppen in die Einschleusekammer E geführt werden und gleichermaßen aus der Ausschleusekammer A zwei Substrate entnommen werden. Durch die doppelte Belegung der Einschleusekammer E sowie der Ausschleusekammer A ergibt sich pro Substrat eine verringerte Evakuierungs- und Belüftungszeit, womit insgesamt die Produktrate erhöht wird.

Fig. 3 zeigt eine skizzierte alternative Ausführungsform einer Inline-Anlage zur gleichzeitigen Aufnahme von zwei nebeneinander angeordneten Substraten 32, 33 in der Einschleusekammer E bzw. 37, 38 in der Ausschleusekammer A. Zu Beginn des in Zeile 1 dargestellten Prozesses befinden sich jeweils einzelne Substrate 34 in der Ätzkammer Bi , 35 in der Beschichtungskammer B2 und 36 in der Beschichtungskammer B3. Im Gegensatz zu Fig. 2 ist zur Verdeutlichung der Nebeneinanderanordnung eine Draufsicht auf die Anlage gewählt. Zu Beginn des in Zeile 1 dargestellten Prozesses wird die Einschleusekammer E evakuiert und die Ausschleusekammer A belüftet.

Im darauffolgenden Schritt der in der zweiten Zeile dargestellt ist, werden alle genannten Substrate 32 bis 36 in die jeweils benachbarte Kammer überführt und gleichzeitig neue Substrate 39, 40 im Beladebereich bereitgestellt. Der Endzustand nach dieser Überführung ist der dritten Zeile zu entnehmen, in der gleichzeitig die Belüftung der Einschleusekammer E vorgenommen wird. Das Substrat 32 befindet sich zu diesem Zeitpunkt in der Wartekammer Wi, wobei das zwischen der Einschleusekammer und der Wartekammer liegende Ventil ebenso geschlossen ist wie das Ventil zwischen der Wartekammer und der Ätzkammer Bi , in der sich das Substrat 33 befindet. Die Substrate 34 und 35 werden in den Kammern Bi und B2 beschichtet. Das Substrat 36 verbleibt während dieser Zeit in der Wartekammer W2, wohingegen die bereits fertig behandelten Substrate 37 und 38 bereits ausgeschleust sind. Die Ausschleusekammer A wird nach der Ausschleusung evakuiert. Sämtliche Belüftungs- und Evakuierungsvorgänge dauern ca. 1 min.

Nach erfolgter Ätz- und Beschichtungsbehandlung der Substrate 33, 34, 35 werden diese, wie in der vierten Zeile zu entnehmen ist, entsprechend in die nächstbenachbarte Kammer weitergeschoben, so dass nach Beendigung dieses Vorgangs die Substrate 39, 40 in der Einschleusekammer angeordnet sind, die Wartekammer W1 leer ist und die Substrate 32, 33, 34 gleichzeitig in nebeneinanderliegenden Kammern Bi, B2 und B3 jeweils behandelt werden. Zu dieser Zeit sind die Wartekammern W1 und W2 entleert. Sämtliche Ventile mit Ausnahme des Endventils der Ausschleusekammer sind geschlossen. Die Ausschleusekammer, in der sich wiederum zwei nebeneinanderliegende Substrate 35, 36 befinden, wird belüftet, wonach entsprechend der Darstellung der letzten Zeile der nächste Vorgang gestartet wird. Bei dieser Kammeranordnung sind die Einschleusekammer sowie die Ausschleusekammer jeweils als Magazine ausgebildet. Eine weitere Verfahrens- und Inline-Anlagenvariante zeigt Fig. 4. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Einschleusekammer und die Ausschleusekammer so dimensioniert, dass diese Kammern jeweils drei Substrate gleichzeitig aufnehmen können. Im dargestellten Beispiel sind die Substrate hintereinander angeordnet, sie können jedoch ebenso nebeneinander angeordnet sein.

Zu Beginn eines Prozesses befinden sich Substrate 43, 44, 45 in einer Einschleusekammer E, die evakuiert wird, z.B. über eine Dauer von 0,4 min. Während derselben Zeit sind die Wartekammern Wi, W2 leer, wohingegen in der Ätzkammer Bi ein Substrat 46 in der Beschichtungskammer B2 ein Substrat 47 und in der zweiten Beschichtungskammer B3 ein Substrat 48 gleichzeitig behandelt werden. In der Ausschleusekammer befinden sich drei Substrate 49, 50, 51 , die nach Belüftung der Ausschleusekammer (siehe zweite Zeile) ausgeschleust werden. Zur gleichen Zeit der Ausschleusung werden die benannten Substrate weiterbewegt, bis der in der dritten Zeile dargestellte Zustand erreicht ist, bei dem in der Wartekammer zwei Substrate 43, 44 sowie in jeder der Behandlungskammern Bi , B2, B3 Substrate 45, 46, 47 behandelt werden. Das Substrat 48 ist in der Wartekammer angeordnet. Die Einschleusekammer wird belüftet, während dessen die Ausschleusekammer noch evakuiert wird. Nunmehr kann wie in der vierten Zeile dargestellt die Einschleusekammer mit neuen Substraten 52, 53, 54 beladen werden. Die Verschiebung der Substrate 43, 44, 45, 46 in die jeweils benachbarte Kammer bei geöffneten Ventilen ergibt sich aus Zeile 4. Nach Beladung der Einschleusekammer E wird diese Kammer (siehe fünfte Zeile) evakuiert, während sich das Substrat 43 in der Wartekammer W1 und die Substrate 44, 45, 46 in den jeweiligen Behandlungskammern Bi , B2, B3 befinden, wo sie geätzt, oder mit der ersten bzw. zweiten Beschichtung versehen werden. Die Substrate 47, 48 befinden sich in der Wartekammer W2. Die Ausschleusekammer wird evakuiert. Nach der Evakuierung und Behandlungszeit werden die Substrate 43, 44, 45, 46, 47, 48 jeweils weiterbefördert, bis eine der Anfangssituation entsprechende Anordnung erreicht wird, bei der drei Substrate 52, 53, 54 in der Einschleusekammer evakuiert werden, gleichzeitig Substrate 43, 44, 45 in den Behandlungskammer Bi , B2, B3, geätzt oder beschichtet und Substrate 46, 47, 48 in der Ausschleusekammer angeordnet sind, die bereits belüftet wird. Nach der Behandlungs- und Evakuierungs- bzw. Belüftungszeit von 0,4 min wird der Prozess wie in der letzten Zeile dargestellt, fortgesetzt.

Aus Figuren 2 bis 4 wird deutlich, dass die Einschleuse- und Ausschleusekammer jeweils mit n=2 oder n=3 Substraten beladen werden kann, wohingegen die Wartekammern eine Beladekapazität von zwei Substraten besitzen. In den Behandlungskammern kann jeweils nur ein Substrat angeordnet werden.

Die Einfügung von zusätzlichen Wartekammern sowie die Kapazitätsvergrößerung der Einschleuse- und Ausschleusekammern erfordern vergleichsweise geringere Investitionen als die durch die Produktivitätssteigerung erzielbaren Erlöse ausmachen.