CH681016A5

CH681016A5 -

Info

Publication number: CH681016A5
Application number: CH625/90A
Authority: CH
Inventors: Jaroslav Zejda; Manfred Schuhmacher
Original assignee: Leybold Ag
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1990-02-27
Publication date: 1992-12-31
Also published as: JP2602976B2; US4943363A; KR920005622B1; DE3912295A1; KR900016492A; DE3912295C2; JPH02294474A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Katodenzerstäubungsanlage zur Beschichtung von Substraten in einer Vakuumkammer, in der ein rotierender Substratträger untergebracht ist, mit mindestens einer Katodenstation, einer Beladestation und Entladestation.

In der Vakuumverfahrenstechnik, insbesondere in der Dünnschichttechnik ist das Beschichten von Substraten, beispielsweise von Compactdisks (CD) bekannt. Die Compactdisks sind ein modernes Speichermedium für digitale Informationen. In einem Sputterprozess werden die geprägten Kunststoffscheiben mit beispielsweise einer Aluminiumschicht von weniger als einem zehntausendste! Millimeter überzogen. Die hierzu eingesetzten Sputterbe-schichtungsanlagen sind ringförmig aufgebaut, über eine Schleuse in einem Sauberraum lädt und entlädt ein Roboter die Anlage. Von der Schleuse aus transportiert ein Substratträger die Substrate durch die ringförmige Prozesskammer. Das Besput-tern erfolgt durch eine Hochleistungszerstäu-bungskatode, die als Magnetron aufgebaut ist.

Eine solche Anlage wird beispielsweise in dem Prospekt 12-710.01 der ehemaligen Leybold-He-raeus GmbH beschrieben. Dieses bekannte Katodenzerstäubungssystem dient zur einseitigen Beschichtung mit einer laserreflektierenden Aluminiumschicht. Die Anlage hat eine ringförmige, horizontal angeordnete Vakuumkammer mit Be- und Entladestation, Hochleistungszerstäubungskatode, Transportring mit Plattenaufnahme und dynamischen Schleusen zur Drucktrennung zwischen Be-schichtungskammer und Be- und Entladestation.

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde:

Mit der Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, an der Prozess-, beziehungsweise Vakuumkammer, mehr Katodenstationen, Messstationen und Stationen mit anderen Funktionen, wie Be-und Entladen der Anlage, unterzubringen, als dies bei Anlagen des Standes der Technik möglich ist. Es soll eine raumsparende Lösung geschaffen werden. Die Anschlüsse für Vakuum, Kühlwasser, Strom und Druckluft sollen extrem kurz werden. Das zur Halterung der Anlage notwendige Gestell, beziehungsweise Rahmen oder Ständer, soll gleichzeitig als Träger für die Versorgungsleitungen dienen. Es sollen Voraussetzungen für einen extrem kleinen Sauberraum geschaffen werden.

Es soll eine Katodenzerstäubungsanlage geschaffen werden, deren Prozesskammer von allen Seiten leicht zugänglich ist. Insbesondere sollen die Wartungs-, Austausch- und Reparaturarbeiten von den beiden grossen Seitenflächen der Vakuumkammer einfacher als beim Stand der Technik durchgeführt werden können.

Die Anlage soll nur eine kleine Stellfläche in Anspruch nehmen. Insbesondere soll es möglich sein, eine unmittelbare Kopplung im Fertigungsfluss der Katodenzerstäubungsanlage mit anderen Fertigungsanlagen herzustellen.

Die Erfindung macht es sich weiterhin zur Aufgabe, einen verbesserten Schutz gegen das Besput-

tern von Teilen der Transportvorrichtung für die Substrate zu erzielen. Ausserdem soll die Abdichtung der Be- und Entladestation von dem übrigen Teil der Prozesskammer verbessert werden.

Ès gehört weiterhin zur Aufgabe, die Transportvorrichtung für die Substrate leicht zu gestalten, damit kein grosser Antrieb im Vakuum der Prozesskammer notwendig ist.

Ein wesentlicher Teil der Aufgabe besteht darin, dass eine sehr gute, sichere Trennung des Katodenraums während des Sputtervorgangs vom übrigen Vakuumraum der Anlage erzielt wird.

Ein weiterer wesentlicher Teil der Aufgabenstellung besteht darin, dass die bisher bekannten Transportmittel für die Substrate, wie Transportplatten mit Substrataufnahmevorrichtungen, überflüssig werden. Diese Transportmittel des Standes der Technik bedürfen einer sehr aufwendigen und genauen Bearbeitung, sie sind daher sehr teuer.

Die gestellten Aufgaben werden erfindungsge-mäss dadurch gelöst, dass der Substratträger aus mindestens einer Transportkelle besteht.

Dabei kann vorgesehen werden, dass die Transportkelle einen Substrataufnahmekörper (Aufnahmekörper) umfasst, der vorzugsweise in Richtung der Achse der Katodenstation, beziehungsweise der Beladestation, beziehungsweise der Entladestation, bewegbar ist.

Als besonders zweckmässig hat sich herausgestellt, dass die Transportkelle aus einem vorzugsweise kreisscheibenförmig ausgebildeten Substrataufnahmekörper und einem Arm besteht, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Aufnahmekörper in Hinsicht auf die mit ihm zusammenwirkenden Teilen der Anlage, wie Teilen der Zerstäubungskatode, Teilen der Beladestation, Teilen der Entladestation während seiner Bewegung stets parallel zu diesen Teilen ausgerichtet ist.

In Fortführung dieses Gedankens wird vorgeschlagen, dass der Arm elastisch beweglich, insbesondere als federndes Bauteil ausgebildet ist.

Konkretisiert wird dieser Gedanke dadurch, dass der Arm ein Führungssystem, bestehend aus zwei parallel zueinander angeordneten Armelementen, aufweist, dass die Armelemente aus Blattfedern bestehen.

Eine saubere Trennung des Raums der Katodenstation wird dadurch erreicht, dass der Substrataufnahmekörper gegen die Katodenstation anpressbar ausgebildet ist, dass ein Druckorgan für die An-pressung vorgesehen ist.

Eine Konzentration des Sputtermaterials auf das Substrat wird möglich gemacht, indem zwischen Katode einerseits und dem Substrataufnahmekörper und Substrat andererseits eine Maske angeordnet wird, auf die der Aufnahmekörper und das Substrat durch das Druckorgan anpressbar sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgesehen, dass Teile der Katodenstation, insbesondere der Maske, des Substrataufnahmekörpers und des vorzugsweise als Druckplatte ausgebildeten Druckorgans einen Vakuumraum bilden, der vakuumdicht trennbar ist gegenüber dem restlichen Teil der Vakuumkammer der Katodenzerstäubungsanlage.

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Das erfinderische Grundprinzip kann in der Weise angewendet werden, dass der Substrataufnahmekörper gegen Teile der Beladestation anpressbar ausgebildet ist und dass ein Druckorgan für die An-pressung vorgesehen ist.

In gleicher Weise kann vorgesehen werden, dass der Substrataufnahmekörper gegen Teile der Entladestation anpressbar ausgebildet ist und dass ein Druckorgan für die Anpressung vorgesehen ist.

Um die Transportkellen in Rotationsbewegung zu setzen, wird vorgeschlagen, dass für eine oder mehrere Transportkellen eine in Bezug auf die Katodenzerstäubungsanlage zentral angeordnete Antriebsvorrichtung vorgesehen ist, die die Transportkelle um einen bestimmten Winkel schrittweise in der Vakuumkammer der Katodenzerstäubungsanlage weitertransportiert.

Der Grundgedanke der Erfindung kann bei Vakuumkammern angewendet werden, die waagerecht oder in einer anderen Stellung montiert sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Vakuumkammer der Katodenzerstäubungsanlage senkrecht angeordnet ist, dass die Transportkelle, beziehungsweise die Transportkellen um eine waagerecht angeordnete Achse rotieren.

Um den im Bereich des Substrataufnahmekörpers auftretenden Gasströmen einen geringen Strömungswiderstand zu bieten und um die Kelle insgesamt leicht zu gestalten, wird vorgeschlagen, dass der Substrataufnahmekörper im wesentlichen die Form einer kreisförmigen Platte aufweist, die vorzugsweise mit kreisförmigen Ausnehmungen versehen ist.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

Die gestellten Aufgaben werden gelöst. Es wird eine sehr gute, sichere Trennung des Katodenraums während des Sputtervorgangs vom Vakuumraum der Anlage erzielt. Die bisher bekannten Transportmittel für die Substrate, wie Transportplatten mit eingebauten Substrataufnahmevorrichtungen, deren Bearbeitung sehr aufwendig und sehr teuer ist, werden überflüssig. Durch das Kellenprinzip zusammen mit der senkrechten Anordnung der Vakuumkammer werden ausgezeichnete Voraussetzungen dafür geschaffen, dass eine Vielzahl von Stationen (Katodenstationen, Messstationen, Ent- und Beladestation u.a.) untergebracht werden können. Die Anlage wird also in einem Höchstmass ausgenutzt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung zu entnehmen. Diese Ausführungsbeispiele werden anhand von sieben Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt in axonometrischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Katodenzerstäubungsanlage.

Fig. 2 zeigt in einem Schnittbild einen Teilbereich der Zerstäubungskatode der Anlage nach Fig. 1.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine Transportkelle.

Fig. 6 zeigt einen Teilbereich der Entladestation der Anlage nach Fig. 1.

Fig. 7 zeigt einen Teilbereich der Ladestation der Anlage nach Fig. 1.

Aus Fig. 1 ist die kreisscheibenförmige Ausgestaltung der Vakuumkammer, die mit 1 bezeichnet ist, erkennbar. Die Vakuumkammer ist in einem Rahmen oder Ständer 2 untergebracht. Mit 3 ist die Gesamtheit der Beladestation bezeichnet. 4 kennzeichnet die Gesamtheit der Entladestation. Mit 5 ist eine geöffnete Katodenstation bezeichnet. Die Beladestation, Entladestation und die Katodenstation werden anhand der weiteren Figuren beschrieben.

In Fig. 1 ist die Vakuumkammer, teilweise geöffnet gezeichnet, so dass eine Transportkelle sichtbar wird. Sie besteht aus dem Arm 6 und dem Substrataufnahmekörper 7. Der Arm ist an einer zentralen Scheibe (Transportscheibe) 8 angeordnet. Die Scheibe wird von einer Antriebsvorrichtung 9 entsprechend dem Pfeil 10 um einen bestimmten Winkel schrittweise von Station zu Station gedreht. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Antriebsvorrichtung 9 zentral in Bezug auf die Vakuumkammer angeordnet. Mit 11 ist die zentrale Achse der Vakuumkammer bezeichnet.

Fig. 1 zeigt mehrere Katodenstationen und mehrere Messstationen zur Überprüfung der Arbeitsweise der Anlage. Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten einer Katodenstation. Die Gesamtheit der Katode ist mit 12 bezeichnet. Sie umfasst das Target, das mit 13 gekennzeichnet ist. Es handelt sich um eine Hochleistungskatode (Magnetronkatode).

Während des Betriebs der Katode bildet sich im Bereich 14 vor der Katode ein Plasma, das durch das Magnetfeld der Magnetronkatode 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 Katode 12 einerseits und dem Substrat 15 und dem Substrataufnahmekörper 16 andererseits ist eine Maske 17 angeordnet.

Während des Sputtervorgangs wird durch die Druckplatte 18 der Substrataufnahmekörper 16 und das Substrat in Richtung des Pfeils 20 gegen die Maske gepresst.

In dieser Situation wird das Sputtermaterial auf das Substrat konzentriert. Andererseits wird vermieden, dass der Substrataufnahmekörper und andere Teile der Transportkelle besputtert werden. Durch die konische Form der Oberfläche 21 der Maske werden der Substrataufnahmekörper und die anderen Teile der Transportkelle abgeschattet. Gleichzeitig wird eine gute Schichtdickengleichmäs-sigkeit erzielt. Mit 19 ist der Antrieb für die Druckplatte 18 bezeichnet. Der Antrieb ist mittels O-Ring 22 an der Wand der Vakuumkammer abgedichtet.

Die Wände 23, 24, 25 der Katodenstation, die Katode selbst, die Maske 17, der Substrataufnahmekörper 16 und die Druckplatte 18 bilden während des Sputtervorgangs einen isolierten Vakuumraum 27, der gegenüber dem restlichen Vakuumraum 26 der Katodenzerstäubungsanlage getrennt ist.

Mit 28 ist ein Vakuumanschluss bezeichnet, der zur Evakuierung des soeben beschriebenen isolier-

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ten Katodenvakuumraums 27 dient. Mit 29, 30, 31, 32 sind O-Ringe bezeichnet, die der Abdichtung des Katodenvakuumraums dienen.

In Fig. 2 sind die Wände 33, 34 der Vakuumkammer der Katodenzerstäubungsanlage dargestellt. 35 ist eine Antriebsscheibe, beziehungsweise Transportscheibe, für den Arm der Transportkelle. Die Transportkelle selbst besteht aus einem Arm und dem beschriebenen Substrataufnahmekörper. Der Arm besteht aus zwei Armelementen 36, 37, die als Blattfedern ausgebildet sind. Die Blattfedern sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, parallel angeordnet.

Durch diese parallele Anordnung beschreibt der Substrataufnahmekörper 16 eine parallele Bewegung während des Anpressvorgangs, die man als «paralleles Versetzen» bezeichnen kann. Ausserdem sind die Blattfedern 36, 37 so lang ausgebildet, dass keine nennenswerte Verkürzung des Kellenarms, beziehungsweise des Radiusses eintritt, das heisst, in Radialrichtung gibt es keinen nennenswerten Versatz.

Alternative Ausführungsformen in Hinsicht auf die parallele Anordnung zweier Blattfedern sind möglich. Es kommt in jedem Fall darauf an, dass zwei parallele Armelemente so angelenkt sind, dass der flächige Substrataufnahmekörper 16 in Hinsicht auf die mit ihm zusammenwirkenden, beziehungsweise an ihn anliegenden flächigen Teile der Druckplatte 18 und der Maske 17 während seiner Bewegung stets parallel ausgerichtet bleibt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist 11 die Rotationsachse, um die die Transportkellen in Takten, das heisst, schrittweise rotieren. Antriebsorgan ist eine innere Scheibe (Transportscheibe} 8. In der Ausführungsform gemäss Fig. 2 trägt diese Transportscheibe die Bezugsziffer 35. Die Bewegung, beziehungsweise das Takten um einen gewissen Winkel, wird mit hoher Genauigkeit durch einen Präzisionsschalttisch bewirkt, wie er beispielsweise im Werkzeugmaschinenbau eingesetzt wird.

Das Substrat wird durch die Transportkelle schrittweise von der Einschleusstation, beziehungsweise Ladestation, zu den Katodenstationen der Anlage transportiert.

Während des Sputtervorgangs wird durch die Erfindung eine sichere Trennung zwischen den Kato-denvakuumräumen und dem restlichen Vakuumraum der Anlage gewährleistet.

Das Substrat kann einseitig oder beidseitig beschichtet werden. Bei einer beidseitigen Beschich-tung ist in einer Station eine Katode gemäss Fig. 2 an der Vakuumkammerwand angeordnet, in einer weiteren Station wird eine Anordnung vorgesehen, die der der Fig. 2 entspricht, jedoch ist dann die Katode links angeordnet.

Das Substrat kann im Substrataufnahmekörper entweder in der Mitte über ein Zentralloch gehalten werden oder es kann, wie in Fig. 2 gezeigt, am äusseren Umfang eingeklemmt sein.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen die Transportkelle, die aus dem Substrataufnahmekörper, der in diesem Ausführungsbeispiel mit 38 bezeichnet ist, und dem Arm, der in seiner Gesamtheit mit 39 bezeichnet ist, besteht. Der Arm selbst wird aus zwei Blattfedern 40,41 gebildet, siehe Fig. 5.

Die Fig. 5 ist ein Schnittbild entsprechend der Schnittlinie V/V der Fig. 3. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass das Substrat, in diesem Ausführungsbeispiel mit 42 bezeichnet, an der rechten Oberfläche des Substrataufnahmekörpers angeordnet ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine andere Position für das Substrat vorgesehen. Nach Fig. 2 ist das Substrat nicht auf einer Oberfläche des Substrataufnahmekörpers positioniert, sondern in der Mitte des Substrataufnahmekörpers.

Fig. 4 zeigt schematisch die Transportkelle nach Fig. 3, nachdem sie durch das Schrittgetriebe 9, siehe Fig. 1, um einen Schritt, beziehungsweise um eine Teilung, weitertransportiert worden ist, und zwar in Richtung des Pfeils 43.

Mit 44, 45 sind in Fig. 5 je ein O-Ring bezeichnet, die die Funktion des Abdichtens des vom restlichen Vakuumraum 26 der Katodenzerstäubungsanlage während des Sputtervorgangs abgetrennten Katodenvakuumraums 27 durchführen.

Aus Fig. 3 sind sechs kreisförmige Ausnehmungen erkennbar, von denen eine mit 46 bezeichnet ist. Durch sie wird das Gewicht des Substrataufnahmekörpers reduziert. Ausserdem wird der Strömungswiderstand für durchströmendes Gas durch die Ausnehmungen reduziert.

In Fig. 6 ist eine Entladestation gezeigt. Mit 47, 48 sind die Wände der Vakuumkammer 49 der Anlage bezeichnet. 50 ist die Transportscheibe, die vom Schrittgetriebe angetrieben wird. Mit 51, 52 sind die beiden Blattfedern des Arms der Transportkelle bezeichnet. 53 ist der Substrataufnahmekörper. Das Substrat selbst trägt das Bezugszeichen 54. Über die Anpressvorrichtung 55 wird der Substrataufnahmekörper gegen die Wand 47 gepresst. Anschliessend wird das beschichtete Substrat entnommen.

Fig. 7 zeigt eine Ladestation. Es ist erkennbar, dass durch die Anpressvorrichtung 56 der Substrataufnahmekörper 57 sich im gegen die Wand 58 angepressten Zustand befindet. Die zweite Wand der Vakuumkammer der Anlage trägt das Bezugszeichen 59. Die Transportscheibe ist mit 60 bezeichnet. 61, 62 sind die beiden Blattfedern des Arms des Substrataufnahmekörpers 57. In dieser Position des Substrataufnahmekörpers kann dieser mit einem zu beschichtenden Substrat beladen werden.

Claims

Patentansprüche

1. Katodenzerstäubungsanlage zur Beschichtung von Substraten in einer Vakuumkammer, in der ein rotierender Substratträger untergebracht ist, mit mindestens einer Katodenstation, einer Beladestation und Entladestation, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger aus mindestens einer Transportkelle besteht.

2. Katodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportkelle einen Substrataufnahmekörper (16) umfasst, der vorzugsweise in Richtung der Achse der Katodenstation, beziehungsweise der Beladestation, beziehungsweise der Entladestation, bewegbar ist.

3. Katodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trans5

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portkelle aus einem vorzugsweise kreisscheibenförmig ausgebildeten Substrataufnahmekörper (16) und einem Arm besteht, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Aufnahmekörper (16) in Hinsicht auf die mit ihm zusammenwirkenden Teilen der Anlage, wie Teilen der Zerstäubungskatode, Teilen der Beladestation, Teilen der Entladestation während seiner Bewegung stets parallel zu diesen Teilen ausgerichtet ist.

4. Katodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm elastisch beweglich, insbesondere als federndes Bauteil ausgebildet ist.

5. Katodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm ein Führungssystem, bestehend aus zwei parallel zueinander angeordneten Armelementen, aufweist und dass die Armelemente aus Blattfedern (36, 37) bestehen.

6. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrataufnahmekörper (16) die Katodenstation anpressbar ausgebildet ist und dass ein Druckorgan (18) für die Anpressung vorgesehen ist.

7. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Katode einerseits und dem Substrataufnahmekörper und Substrat andererseits eine Maske (17) angeordnet ist, auf die der Substrataufnahmekörper (16) und das Substrat (15) durch das Druckorgan (18) anpressbar sind.

8. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Katodenstation, insbesondere der Maske (17), des Substrataufnahmekörpers (16) und des vorzugsweise als Druckplatte ausgebildeten Druckorgans (18) einen Vakuumraum (27) bilden, der vakuumdicht trennbar ist gegenüber dem restlichen Teil der Vakuumkammer (26) der Katodenzerstäubungsanlage.

9. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrataufnahmekörper (57) gegen Teile der Beladestation anpressbar ausgebildet ist und dass ein Druckorgan (56) für die Anpressung vorgesehen ist.

10. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrataufnahmekörper (53) gegen Teile der Entladestation anpressbar ausgebildet ist und dass ein Druckorgan (55) für die Anpressung vorgesehen ist.

11. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine oder mehrere Transportkellen eine in Bezug auf die Katodenzerstäubungsanlage zentral angeordnete Antriebsvorrichtung (9) vorgesehen ist, die die Transportkelle um einen bestimmten Winkel schrittweise in der Vakuumkammer (1) der Katodenzerstäubungsanlage weitertransportiert.

12. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1) Katodenzerstäubungsanlage senkrecht angeordnet ist und dass die Transportkelle, beziehungsweise die Transportkellen um eine waagerecht angeordnete Achse (11) rotieren.

13. Katodenzerstäubungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrataufnahmekörper im wesentlichen die Form einer kreisförmigen Platte (38) aufweist, die vorzugsweise mit kreisförmigen Ausnehmungen (46) versehen ist.

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