DE102010022277A1

DE102010022277A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reaktivgastrennung in in-line-Beschichtungsanlagen

Info

Publication number: DE102010022277A1
Application number: DE102010022277A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pflug Andreas; Michael Siemers; Wolfgang Werner; Dr. Szyszka Bernd
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-01
Also published as: EP2576856A1; WO2011151057A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft im Bereich der Beschichtungstechnik eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten bei effektiver Reaktivgastrennung zwischen benachbarten Beschichtungskammern von in-line-Beschichtungsanlagen, insbesondere von Beschichtungsanlagen, bei denen Reaktivgasprozesse und Prozesse in inerter Atmosphäre aufeinander folgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Bereich der Beschichtungstechnik eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten bei effektiver Reaktivgastrennung zwischen benachbarten Beschichtungskammern von in-line-Beschichtungsanlagen, insbesondere von Beschichtungsanlagen, bei denen Reaktivgasprozesse und Prozesse in inerter Atmosphäre aufeinander folgen.
In derzeit bekannten Beschichtungsanlagen wird das Problem der Überströmung von Reaktivgas in benachbarte Kammern dadurch gelöst, dass zwischen benachbarten Beschichtungskammern ein oder mehrere Pumpkompartments eingefügt werden. Diese Kompartments sind in Transportrichtung durch Spaltblenden miteinander verbunden und besitzen jeweils eine oder mehrere Vakuumpumpen.
In-line-Beschichtungsanlagen, insbesondere in-line-Sputteranlagen, in welchen ein Überströmen von Gas zwischen benachbarten Kompartments den Beschichtungsprozess negativ beeinträchtigt, kommen insbesondere im Bereich der Großflächenbeschichtung für Architektur- oder Automobilverglasung zum Einsatz. Maßgebliche Beschichtungs-Produkte sind Sonnenschutzschichten oder niedrigemittierende (Low-F)-Schichten, mit denen entweder der Energieeintrag der Sonnenstrahlung in Gebäude bzw. Fahrzeuge oder Wärmeverluste aus Gebäuden minimiert werden. Derartige Schichtsysteme bestehen zumeist aus einer oder mehreren metallischen, im Infraroten reflektierenden Schichten, die in Metalloxid-Schichten zur Minderung von Reflexionsverlusten im Sichtbaren und zur Farbanpassung eingebettet sind.
Metalloxide werden i. d. R. mittels reaktiver Beschichtungsprozesse, insbesondere reaktives Sputtern, aufgebracht. Hierbei wird neben der Zerstäubung oder Verdampfung eines Metalls auch Reaktivgas, insbesondere O₂, in die Beschichtungskammer eingebracht, welches mit dem sich auf dem Substrat niederschlagenden Metall eine Metalloxid-Verbindung eingeht.
Demgegenüber ist ein Reaktivgasanteil bei der Abscheidung von Metallschichten unerwünscht, da ansonsten i. d. R. Metallschichten mit schlechterer Qualität hinsichtlich der spezifischen Leitfähigkeit und der optischen Eigenschaften resultieren.
Bisherige Verfahren zur Vermeidung eines Reaktivgasanteils in einem metallischen Beschichtungsprozess sehen Maßnahmen zur Erhöhung des Gastrennfaktors zwischen den Kompartments mit Reaktiv- und Metallprozess vor. Der Gastrennfaktor G_AB zwischen Kompartments A und B ist definiert als die Änderung des Drucks Δp_B in Kompartment B in Folge einer Druckänderung Δp_A in Kompartment A: G_AB = Δp_B/Δp_A
Eine konventionelle Maßnahme zur Erhöhung des Gastrennfaktors zwischen zwei benachberten Beschichtungskammern ist das oben bereits erwähnte Einfügen zusätzlicher Pumpkompartments, wie Geisler et al. in „Latest advance of process technology in architectural glass coaters and applications" (Proc. Glass Processing Days (2005) 197–200) beschreiben. Dieses Verfahren ist aufwändig, weil ein Pumpkompartment die Investition und den Betrieb mehrerer Turbo-Molekularpumpen erfordert, und sich dadurch die für die In-line-Anlage benötigte Fläche vergrößert.
Die Nachteile des Standes der Technik zur Vermeidung einer Überströmung von Reaktivgas in eine benachbarte Kammer liegen darin, dass zusätzliche Pumpkompartments zur Reaktivgastrennung erforderlich sind, welche die Gesamtlänge der Beschichtungsanlage sowie die Investitionskosten signifikant vergrößern.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine platzsparende sowie kostengünstige Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit effektiver Reaktivgastrennung zwischen benachbarten Beschichtungskammern sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Beschichtungsanlage zum Beschichten eines Substrates nach Anspruch 1 sowie des Verfahrens zum Beschichten eines Substrates nach Anspruch 13 gelöst. Anspruch 18 beschreibt weiter die Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des erfindungemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß enthält die Beschichtungsanlage zum Beschichten eines Substrates zumindest eine erste und eine zweite Beschichtungskammer, mindestens einen Übergangsbereich, mindestens eine Transporteinheit und mindestens einen Spülgaseinlass zum Zuführen von Spülgas in die erste und/oder zweite Beschichtungskammer. Die erste und die zweite Beschichtungskammer enthalten jeweils mindestens eine Beschichtungseinrichtung zum Beschichten des Substrats und sind über den Übergangsbereich miteinander verbunden. Der Übergangsbereich dient dem Durchgang des Substrats von der ersten in die zweite Beschichtungskammer, wobei das Substrat mit Hilfe der Transporteinheit von der ersten Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich zur zweiten Beschichtungskammer befördert werden kann. Die Beschichtungsanlage zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in dem mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Beschichtungskammer mindestens ein oder genau ein Spülgaseinlass angeordnet ist.
Die Reaktivgastrennung zwischen zwei benachbarten Kammern basiert bei der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage bevorzugt auf der Ausnutzung des Gasverdrängungseffekts. Nachdem das Spülgas innerhalb des Übergangsbereichs in die Beschichtungsanlage eingelassen wird, entsteht ein Überdruck des Spülgases im Übergangsbereich, der eine schnelle Ausströmung des Spülgases aus dem Übergangsbereich in die erste und zur ersten benachbarten zweiten Beschichtungskammern ermöglicht. Die Möglichkeit einer Überströmung von Gas, beispielsweise Reaktivgas, von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder von der zweiten in die erste Beschichtungskammer kann somit durch die Zuführung des Spülgases innerhalb des Übergangsbereichs im wesentlichen unterdrückt werden.
Der Übergangsbereich der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage ist vorzugsweise zumindest an seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und/oder an seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer in Form eines sich in Transportrichtung des Substrates erstreckenden Spalts ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann der Übergangsbereich ganz oder teilweise als auf seiner ganzen Länge in Form eines sich in Transportrichtung des Substrates erstreckenden Spalts ausgeformt sein.
Da die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage vorzugsweise für die Beschichtung eines im Wesentlichen flächigen Substrates vorgesehen ist, ist die Ausbildung des Übergangsbereichs als Spalt von Vorteil, da der Übergangsbereich somit an das zu beschichtende Substrat angepasst ist und die Überströmung von Gas von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder in Rückwärtsrichtung verringert.
Der sich in Transportrichtung des Substrats erstreckenden Spalt, welcher den Übergangsbereich beschreibt, ist vorzugsweise derart proportioniert, dass das Verhältnis zwischen der Länge des Übergangsbereichs in Transportrichtung des Substrats und der Höhe des Spalts quer zur Transportrichtung des Substrats größer oder gleich 5:1, vorteilhafterweise größer oder gleich 10:1, vorteilhafterweise größer oder gleich 20:1, ist.
Durch das angegebene Verhältnis von Spaltlänge zu Spalthöhe ergibt sich eine im Vergleich zur Höhe große Länge bzw. sehr große Länge des Spalts. Dadurch wird wiederum ein Überströmen von Gas von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder von der zweiten in die erste Beschichtungskammer verringert.
Vorzugsweise weist der als Spalt ausgebildete Übergangsbereich einen rechteckigen, gekrümmten oder wellenförmigen Querschnitt auf. Je nach Querschnitt des Spalts lassen sich flächige Substrate, wie beispielsweise Glasscheiben, gekrümmte Substrate, wie beispielsweise Linsen oder gekrümmte Automobilverglasung, oder wellenförmige Substrate, wie beispielsweise Wellglas, beschichten, ohne dass ein unnötiger Freiraum zwischen Substrat und Spalt besteht, welcher eine Überströmung von Gas zwischen benachbarten Beschichtungskammern begünstigen würde.
Der Übergangsbereich weist vorzugsweise zwischen seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer, insbesondere mittig, einen Hohlraum auf, in welchem der mindestens eine Spülgaseinlass angeordnet ist. In dem Hohlraum kann sich ein Spülgasdruck ausbilden, durch welchen letztlich Spülgas durch die Öffnung des Übergangsbereichs zur ersten Beschichtungskammer und die Öffnung des Beschichtungsbereichs zur zweiten Beschichtungskammer in die erste bzw. zweite Beschichtungskammer einströmen kann. Insbesondere eine Anordnung des Hohlraums, wonach der Hohlraum mittig im Übergangsbereich angeordnet ist, kann ein Überströmen von Gas zwischen der ersten und der zweiten, zur ersten benachbarten Beschichtungskammer erfolgreich vermindern.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage derart ausgebildet, dass der einzige oder sämtliche Spülgaseinlässe in dem mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Beschichtungskammer in dem Hohlraum zwischen der Öffnung des Übergangsbereichs zur ersten Beschichtungskammer und der Öffnung des Übergangsbereichs zur zweiten Beschichtungskammer angeordnet.
Neben der mindestens einen Beschichtungseinrichtung in der ersten und der zweiten Beschichtungskammer weist die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer vorzugsweise jeweils mindestens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, auf, um den Druck in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer zu regeln und/oder ein Gasgemisch, welches zumindest über den Spülgaseinlass zugeführtes Spülgas, welches auch als Prozessgas verwendet werden kann, sowie ggf. über einen Reaktivgaseinlass zugeführtes Reaktivgas enthält.
Die mindestens eine Beschichtungseinrichtung der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer ist vorzugsweise als Magnetronsputterquelle oder als Reaktor für chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, beispielsweise für plasmaunterstützte chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, für thermische, chemische Gasphasenabscheidung oder für reaktives Aufdampfen, ausgebildet. Vorteilhafterweise unterscheidet sich die Beschichtungseinrichtung der ersten Beschichtungskammer von der Beschichtungseinrichtung der zweiten Beschichtungskammer in ihrer Funktionsweise und/oder zumindest durch die verwendeten Prozessgase und gegebenenfalls Reaktivgase.
Die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer können weiterhin in Abhängigkeit von der jeweiligen Beschichtungseinrichtung mindestens einen Reaktivgaseinlass zum Zuführen von Reaktivgas in die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer aufweisen. Der Reaktivgaseinlass kann beispielsweise benachbart zu einer Öffnung des Übergangsbereichs in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer angeordnet sein. Alternativ kann der Reaktivgaseinlass jedoch auch beabstandet von dem Übergangsbereich angeordnet sein, beispielsweise an einer Seitenwand, der Unterseite oder der Oberseite der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer. Als Reaktivgas bieten sich vorzugsweise O₂, N₂, H₂, NH₃, NO₂, N₂O, CO₂, CH₄, H₂S oder eine Mischung dieser an.
Die Transporteinrichtung, welche zum Befördern des Substrates von der ersten Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich zur zweiten Beschichtungskammer vorgesehen ist, kann beispielsweise als Rolleneinrichtung mit einer Vielzahl an Rollen ausgebildet sein. Das zu beschichtende Substrat ist dabei vorzugsweise auf die Rollen aufgelegt und durch die Rotation der Rollen in Transportrichtung bewegbar. Im Bereich des Übergangsbereichs angeordnete Rollen sind bevorzugt durch mindestens eine Trennwand voneinander getrennt. Durch eine solche Trennwand wird wiederum eine unnötige Überströmung von Gas von der ersten Kammer in die zweite Kammer bzw. von der zweiten in die erste Kammer vermindert.
Als Alternative kann die Transporteinrichtung auch als Bandbeförderungseinheit in Bandbeschichtungsanlagen ausgebildet sein. Bei diesen ist das Substrat ein flexibles Band, das mit Hilfe von großen Bandrollen bzw. Trommeln abgespult und aufgewickelt bzw. transportiert wird. In derartigen Anlagen läuft das Substrat i. d. R. über relativ große rotierende Bandtrommeln, während die Beschichtungskammern um die Bandtrommeln herum angeordnet sind. Der Verbindungsspalt, d. h. der Übergangsbereich, zwischen zwei Beschichtungskammern kann hier leicht gekrümmt (entsprechend der Krümmung der Trommel) sein, und die eine Seite des Verbindungsspalts wird somit bevorzugt durch die Trommel selbst gebildet.
In der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sind der mindestens eine Übergangsbereich und der mindestens eine Spüleinlass vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein Spülgasdruck im Übergangsbereich höher als ein erster Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und als ein zweiter Spülgasdruck in der zweiten Beschichtungskammer ist. Vorzugsweise ist der Spülgasdruck im Übergangsbereich um mindestens einen Faktor 2, insbesondere einen Faktor 3, größer als der erste Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und der zweite Spüldruck in der zweiten Beschichtungskammer.
Die konkreten Druckbereiche des Spülgasdrucks in dem Übergangsbereich bzw. des ersten und zweiten Spülgasdrucks in der ersten und der zweiten Beschichtungskammer unterscheiden sich je nach Beschichtungsverfahren. Ist als Beschichtungseinrichtung in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer beispielsweise eine Magnetronsputterquelle vorgesehen, so liegt der Spülgasdruck im Übergangsbereich bei 0,1 bis 10 Pa, insbesondere bei 0,5 bis 4,0 Pa, insbesondere bei 1,0 bis 2,0 Pa, während der erste und/oder zweite Spülgasdruck in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer im Bereich von 0,05 bis 2 Pa, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 1,5 Pa, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1,0 Pa, liegt. Wird als Beschichtungseinrichtung dagegen ein Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung eingesetzt, so herrschen in den Beschichtungskammern Drücke im Bereich von 10 Pa bis mehr als 1000 Pa, wobei sich der jeweilige Spülgasdruck nach der Prozessart und dem verwendeten Material richtet. Der Spülgasdruck innerhalb des Übergangsbereichs, d. h. im Spalt, sollte höher sein als der Spülgasdruck in der ersten und zweiten Beschichtungskammer und ist entsprechend wählbar.
Das in der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage verwendete Spülgas gelangt vorzugsweise von dem Übergangsbereich in die erste und die zweite Beschichtungskammer, so dass das Spülgas derart gewählt werden sollte, dass es den Beschichtungsprozess nicht stört. Beispielsweise kann das Spülgas ein Inertgas sein, welches vorteilhafterweise Helium, Neon, Argon, Krypton und/oder Xenon enthält oder daraus besteht. Eine solche Wahl ist insbesondere bei Magnetronsputtern vorteilhaft, da in diesem Fall das „Spülgas” zugleich als „Prozessgas” dient, d. h. das durch den Spalt eingelassene Inertgas wird zur Verminderung der Reaktivgasüberströmung und zugleich zum Sputtern der Metallkatode verwendet. Um den Prozessgasdruck unabhängig von der Ausströmcharakteristik des Spalts einstellen zu können, können ggf. zusätzliche Inertgas-Einlässe in den Prozesskammern vorgesehen sein.
Es gibt jedoch auch Fälle, in denen sich Inertgas störend auf den Beschichtungsprozess auswirken kann, so beispielsweise im Falle von plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungen. Bei der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung kann daher bei der Abscheidung amorpher Siliziumschichten beispielsweise Wasserstoff (H₂) als Spülgas bzw. als Prozessgas verwendet werden, während SiH₄ als Reaktivgas eingesetzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage kann zusätzlich zu der ersten und zweiten Beschichtungskammer noch mindestens eine weitere Beschichtungskammer mit mindestens einer Beschichtungseinrichtung aufweisen. Jeweils benachbarte Beschichtungskammern, beispielsweise die zweite und die weitere Beschichtungskammer, können durch einen Übergangsbereich, welcher entsprechend dem Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Beschichtungskammer ausgestaltet ist, verbunden sein. Zumindest, wenn in einer der benachbarten Beschichtungskammern ein Reaktivgas bei der Beschichtung eingesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn diese Kammern über einen Übergangsbereich, wie er für die erste und zweite Beschichtungskammer beschrieben wurde, verbunden sind.
Um die Gestalt des mindestens einen Übergangsbereichs und/oder die Eigenschaften des mindestens einen Spülgaseinlasses zu optimieren, bieten sich Simulationsverfahren an. Insbesondere die Direct Simulation Monte Carlo Method bietet sich an, um für gegebene Prozessbedingungen im Vorfeld angemessene Verhältnisse von Spaltlänge zu Spaltbreite zu ermitteln.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates, wobei das zu beschichtende Substrat in einer ersten Beschichtungskammer beschichtet wird, durch mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und einer zweiten Beschichtungskammer von der ersten Beschichtungskammer in die zweite Beschichtungskammer befördert wird und in der zweiten Beschichtungskammer wiederum beschichtet wird. Während des Beschichtens des Substrats in der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer und/oder während des Transports des Substrats von der ersten Beschichtungskammer zur zweiten Beschichtung wird erfindungsgemäß ein Spülgas derart in den Übergangsbereich eingeleitet, das Spülgas aus dem Übergangsbereich in die erste und die zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird. Vorzugsweise herrscht im Übergangsbereich, insbesondere im Zufuhrbereich des Spülgases ein Überdruck, so dass das Spülgas derart in die erste und die zweite Beschichtungskammer einströmt, dass ein Gasstrom von der ersten in die zweite Beschichtungskammer oder in Rückwärtsrichtung aus dem Übergangsbereich verdrängt wird und das Spülgas in die erste und die zweite Beschichtungskammer einströmt.
Das Spülgas wird vorzugsweise unter Druck in den Übergangsbereich eingeleitet, wobei ein Spülgasdruck im Übergangsbereich größer ist, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 2, insbesondere um mindestens einen Faktor 3, als ein erster Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und ein zweiter Spülgasdruck in der zweiten Beschichtungskammer.
Das Substrat wird in der ersten Kammer und/oder in der zweiten Beschichtungskammer vorzugsweise durch Magnetronsputtern oder durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung beschichtet. Vorzugsweise wird das Substrat mit plasmaunterstützter chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung oder mit thermischer chemischer Gasphasenabscheidung oder durch reaktives Aufdampfen beschichtet. Je nach Beschichtungsverfahren kann in die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer ein Reaktivgas zugeführt werden, beispielsweise O₂, N₂, H₂, NH₃, NO₂, N₂O, CO₂, CH₄, H₂S oder einer Mischung dieser.
Zum Transport des Substrats von der ersten in die zweite Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich ist dieser vorzugsweise zumindest an seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und/oder an seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer und/oder ganz oder teilweise auf seiner ganzen Länge in Form eines sich in Transportrichtung des Substrats erstreckten Spalts ausgebildet, wobei das Verhältnis zwischen Spaltlänge in Transportrichtung und Spalthöhe quer zur Transportrichtung vorzugsweise ≥ 5:1, insbesondere ≥ 10:1, insbesondere ≥ 20:1 ist. Der Querschnitt des Spalts ist vorzugsweise rechteckig, gekrümmt oder wellenförmig.
Das Spülgas wird vorzugsweise über mindestens einen Spülgaseinlass in einen Hohlraum, welcher im Übergangsbereich zwischen seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer eingeleitet, so dass das gesamte Spülgas oder zumindest ein Teil des Spülgases durch einen Abschnitt des Übergangsbereichs zwischen Hohlraum und Öffnung zur ersten oder zweiten Beschichtungskammer in die erste bzw. zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird.
Spülgas, welches sich in der ersten und zweiten Beschichtungskammer befindet, sowie gegebenenfalls Reaktivgas im Inneren der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer kann aus der ersten und zweiten Beschichtungskammer abgeführt werden, wobei vorzugsweise mindestens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage, wie sie oben beschrieben wurde, durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich der Großflächenbeschichtung für Architektur oder Automobilverglasung und/oder für die Photovoltaik. Im Bereich der Architektur und Automobilverglasung dienen die Beschichtungsanlage und das entsprechende Verfahren einer Beschichtung mit einer oder mehreren Schichten, insbesondere mit Sonnenschutzschichten und/oder mit niedrig emittierenden Schichten, insbesondere metallische und/oder im Infraroten reflektierende Schichten, die bevorzugt in Metalloxidschichten zur Minderung von Reflexionsverlusten im Sichtbaren und zur Farbanpassung eingebettet sind. Im Bereich der Photovoltaik eignet sich die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage sowie das Verfahren zum Aufbringen von Antireflexschichten, Halbleiterschichten und/oder transparenten Elektroden, wobei diese insbesondere mittels Magnetronsputtern aufgebracht werden.
Im Folgenden werden einige Beispiele der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des Verfahrens gegeben. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Beschichtungsanlage mit zwei Beschichtungskammern;
2A bis C die Druckverteilung sowie die Spülgasgeschwindigkeit bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands in zwei benachbarten Beschichtungskammern; und
3 den Verlauf des O₂-Partialdrucks durch die Beschichtungskammern in Abhängigkeit von der Argon-Flussgeschwindigkeit.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage, welche eine erste, linkerhand angeordnete Beschichtungskammer 1 mit einer im Wesentlichen mittig in der Beschichtungskammer 1 angebrachten Sputterquelle 3 sowie eine zweite, rechterhand angeordnete Beschichtungskammer 2 mit einer im Wesentlichen mittig in der Beschichtungskammer 2 angebrachten Sputterquelle 4 aufweist. Die erste und die zweite Beschichtungskammer 1, 2 sind über einen Übergangsbereich in Form eines in Transportrichtung lang gestreckten Spalts 7 miteinander verbunden, wobei die Transportrichtung durch die Pfeile A angedeutet ist, die von links nach rechts zeigen. Das zu beschichtende Substrat 6 wird mittels Transportrollen 5, welche sich am Boden der ersten und der zweiten Beschichtungskammer 1, 2 befinden, von der Beschichtungskammer 1 über den Spalts 7 in die zweite Beschichtungskammer 2 befördert. Der lang gestreckte Spalt 7 weist in diesem Beispiel einen rechteckigen Querschnitt auf und das Verhältnis von Spaltlänge in Transportrichtung A und Spalthöhe quer zur Transportrichtung A ist 10:1.
Die Beschichtungskammern 1, 2 weisen an ihrer Oberseite 12, 13 jeweils eine Vakuumpumpe 9 auf, um den Druck innerhalb der Beschichtungskammer zu regulieren und überflüssiges Gas aus den Beschichtungskammern 1, 2 zu entfernen.
Um ein Durchströmen von Gas von der ersten 1 in die zweite Beschichtungskammer 2 oder von der zweiten 2 in die erste Beschichtungskammer 1 zu minimieren, sind die Transportrollen 5 derart in den Spalt 7 eingearbeitet, dass unterhalb des Spalts, d. h. auf Höhe der Transportrollen 5 kein Gasaustausch in Transportrichtung A möglich ist. Dies wird durch eine zusätzliche Trennwand 10 zwischen den Transportrollen 5a, 5b erreicht, wobei die Transportrollen 5a, 5b am rechten unteren Eck der ersten Beschichtungskammer 1 und am linken unteren Eck der zweiten Beschichtungskammer 2 angeordnet sind.
Mittig im Spalt 7 befindet sich ein Hohlraum 8, in dem ein Inertgaseinlass (nicht gezeigt) angeordnet ist. Durch die Anordnung des Inertgaseinlasses im Spalt 7 wird ein deutlicher Überdruck im Inertgas-Partialdruck aufgebaut. Dieser übersteigt den mittleren Inertgas-Partialdruck in beiden angrenzenden Kammern 1, 2 um einen Faktor 2. Durch diesen Überdruck strömt Inertgas mit hoher Geschwindigkeit beidseitig aus dem Spalt 7 in die angrenzenden Prozesskammern 1, 2 ein, wodurch wird der Reaktivgasaustausch zwischen beiden Kammern 1, 2 behindert wird.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache aus, dass Magnetron-Sputteranlagen i. d. R. mit einem Reaktivgas und einem Inertgas, in den meisten Fällen Argon, betrieben werden, wobei geladene Inertgas-Ionen maßgeblichen Anteil am Sputterprozess haben. In der Strömungsdynamik beider Gas-Spezies gibt es eine gewisse Wechselwirkung aufgrund der Kollision zwischen Reaktivgas-Molekülen mit Inertgas-Atomen. Durch Simulationsrechnungen kann gezeigt werden, dass mit speziellen Anordnungen der Gaseinlässe eine effektive Verdrängung von Reaktivgas durch das Inertgas bewirkt werden kann, und sich hiermit die Reaktivgas-Überströmung zwischen zwei benachbarten Vakuumkammern signifikant reduzieren lässt.
Die erfindungsgemäße Funktionsweise der Gastrennungsvorrichtung wird nachfolgend anhand einer Simulationsrechung demonstriert. Als Simulationsverfahren wird die sog. „Direct Simulation Monte Carlo” (DSMC) – Methode verwendet, weil die interessierenden Prozessdrücke für Vakuumbeschichtungsverfahren wie z. B. Magnetron-Sputtern derart gering sind, dass eine Strömungsmodellierung mit Kontinuumsverfahren zu falschen Ergebnissen führt.
Die DSMC-Methode wird von G. A. Bird in "Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows (Monography, Clarendon Press, Oxford (1994)) beschrieben. Zur Simulation wird eine am Fraunhofer IST entwickelte Software-Implementation (A. Pflug et al., „Design tools and simulations for plasma processing in large area coaters" (In: Proc. 52nd SVC Annual Technical Conference Proceedings (2009), p. 364–369) dieses Verfahrens eingesetzt.
Als Geometrie für die Gastrennungs-Simulation wird ein zweidimensionales Modell zweier benachbarter Vakuum-Beschichtungskammern 1, 2 ausgewählt, welches an die in 1 gezeigte Beschichtungsanlage angelehnt ist. Das Beschichtungssubstrat 6 wurde im Modell nicht berücksichtigt, da sich hierdurch der Gastrennungs-Effekt vergrößern würde und das Modell eine konservative Abschätzung darstellen soll.
Die Abmessung der ersten und der zweiten Beschichtungskammern 1, 2 beträgt jeweils 800 × 400 mm² in X- und Y-Richtung, wobei die X-Richtung die Breite und die Y-Richtung die Höhe der Beschichtungskammern 1, 2 angibt. In Z-Richtung wird im 2D-Modell eine Tiefe von 10 mm angenommen, wohingegen in der Realität z. B. Architekturglas-Beschichtungsanlagen eine Tiefe von mehr als 4000 mm aufweisen. Die beiden Begrenzungsebenen in Z-Richtung sind hinsichtlich des Partikeltransports als perfekte Spiegelflächen ausgeführt, um den zweidimensionalen Charakter des Modells zu realisieren.
Für das Simulationsgitter wurde eine Zellabmessung von 2.5 × 2.5 mm² in X- und Y-Richtung ausgewählt, in Z-Richtung erfolgt keine Unterteilung. Damit umfasst die Gesamt-Geometrie 320 × 160 = 51200 Zellen.
Als Spülgas wird das häufig zum Sputtern eingesetzte Argon verwendet. Der Argon-Einlass 10 befindet sich im Zentrum des Verbindungsspalts 7 zwischen der ersten und zweiten Beschichtungskammer 1, 2 wie in
2A angedeutet. Als Reaktivgas wird O₂ verwendet, welches über den Einlass 11 benachbart zum Spalt 7 nur in die erste, linke Beschichtungskammer 1 eingelassen wird.

Die oberen Seiten 12, 13 beider Kammern 1, 2 werden als Pumpflächen ausgelegt. Das Saugvermögen bezogen auf eine Kammertiefe von je 3.25 m wird auf 1.5 m³ ausgelegt, was in etwa dem Saugvermögen von ein bis zwei Turbomolekularpumpen entspricht. In der Simulationsanordnung wird die Kammertiefe auf 1 cm herunterskaliert, so dass entsprechend an den oberen Pumpflächen jeweils ein Saugvermögen von ca. 4.62 l/s anliegt. Die weiteren Simulationsparameter sind im Folgenden aufgeführt:

– Wichtungsfaktor für Argon:	10¹²
– Wichtungsfaktor für Sauerstoff:	5 × 10¹¹
– Druckverteilung am Anfang (homogen):	je 0.5 Pa Ar und O₂
– Wandtemperatur:	300 K
– Gastemperatur am Anfang:	300 K

– Ar-Fluss bezogen auf 3.25 m Kammertiefe:	1800 sccm
– O2-Fluss bezogen auf 3.25 m Kammertiefe:	500 sccm
– Saugvermögen der oberen Seite jeder Kammer bezogen auf 3.25 m Kammertiefe:	1.5 m³/s
– Spalthöhe:	20 mm
– Spaltlänge:	300 mm
– Zeit-Schrittweite:	5 μs
– Simulationszeitraum:	3 s, d. h. 6000000 Zyklen

Für die elastischen Kollisionen zwischen Ar-Ar, Ar-O₂ und O₂-O₂ wird das in „Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows" von G. A. Bird (Monography, Clarendon Press, Oxford (1994)) beschriebene, „Variable Soft Sphere” Modell mit Parametern aus derselben Quelle verwandt. Eine korrekte Beschreibung der Kollisionskinetik ist essentiell für die Beschreibung der Ausbildung des Strömungsprofils und des Gasverdrängungseffekts.
Die Geschwindigkeitsverteilung von Argon sowie die Druckverteilungen von Argon und Sauerstoff sind in 2A bis C gezeigt. Die 2A bis 2C zeigen die linke und die rechte Beschichtungskammer 1, 2 sowie den die beiden Beschichtungskammern 1, 2 verbindenden Spalt 7. Entlang der linken und unteren Seite der Beschichtungsanlage ist mittels einen X-Y-Koordinatensystems die Abmessung der Beschichtungskammern 1, 2 angedeutet, wobei die linke untere Ecke der linken Beschichtungskammer 1 im Ursprung des Koordinatensystems liegt.
Aus 2A, welche die Geschwindigkeitsverteilung von Argon in der Beschichtungsanlage zeigt, ist klar erkennbar, dass Argon im Spalt 7 eine Geschwindigkeit von 10 m/s bis 50 m/s besitzt und mit einer Geschwindigkeit von ca. 4 m/s bis 6 m/s beidseitig aus dem Spalt 7 in die Beschichtungskammern 1, 2 ausströmt. Die Geschwindigkeit von 4 m/s bis 6 m/s wird über einen Bereich von ca. 200 mm um den Spalt 7 beibehalten und nimmt mit steigender Entfernung vom Spalt 7 ab, bis die Argon-Geschwindigkeit ein Minimum erreicht.
Nach 600000 Simulationszyklen à 5 μs entsprechend einer simulierten Gesamtzeit von 3.0 Sekunden hat das System einen stationären Zustand erreicht. 2B zeigt die Partialdruckverteilung des Argon in der Beschichtungsanlage im Gleichgewichtszustand. In der Mitte des Spalts 7, im Bereich des Argoneinlasses 10 also, herrscht ein Partialdruck im Bereich von 2 Pa bis 2,5 Pa. In Richtung der Öffnungen 14 des Spalts 7 zu den Beschichtungskammer 1, 2 nimmt der Argondruck auf ca. 1,5 Pa ab. In der linken Beschichtungskammer 1, in welcher auch Reaktivgas enthalten ist, sinkt der Argondruck weiter auf ca. 0,97 Pa ab, während der Partialdruck in der rechten Beschichtungskammer 2 lediglich auf 1,25 Pa abnimmt, da im Wesentlichen kein Reaktivgas vorhanden ist.
In 2 ist der mittlere Sauerstoff-Partialdruck in der ersten linken Beschichtungskammer 1 und in der rechten Beschichtungskammer 2 dargestellt. Der O₂-Druck ist in der linken Beschichtungskammer 1, in die das O₂ direkt über den Reaktivgaseinlass 11 zugeführt wird, am größten und beträgt ca. 530 mPa. Innerhalb des Spalts 7 nimmt der O₂-Druck schnell ab, so dass in der rechten Beschichtungskammer schließlich nur noch ein O₂-Druck in Höhe von ca. 24,5 mPa herrscht.
Der Reaktivgastrennfaktor beträgt demnach mehr als 21. Im Gegensatz dazu bräuchte man mit der konventionellen Methode des differentiellen Pumpens mindestens zwei differentielle Pumpstufen zwischen beiden Kammern, um einen Reaktivgastrennfaktor in ähnlicher Größenordnung zu realisieren.
Betrachtet man den in 3 gezeigten, detaillierten Verlauf des O₂-Partialdrucks entlang einer Ebene, welche mittig durch den Spalt 7 verläuft und in 2C als gestrichelte Linie dargestellt ist, so fällt auf, dass der Druckabfall im Wesentlichen innerhalb des Spalts stattfindet und dass der Argon-Fluss einen maßgeblichen Einfluss auf den Drucktrennfaktor hat.
So ist der Druckabfall bei einem Argonfluss von ungefähr 600 sccm (Graph 20) mit ca. 430 mPa wesentlich geringer als bei einem Argonfluss von 1200 sccm (Graph 21), welcher einen Druckabfall von ca. 490 mPa zur Folge hat. Bei einer weiteren Erhöhung des Argonflusses auf 1800 sccm (Graph 22) wird ein maximaler Druckabfall von ca. 500 mPa beobachtet, nämlich von einem Druck von 530 mPa auf 24,5 mPa, wie in 2C dargestellt ist.
Zusammenfassend wird durch Ausnutzung des Effekts der Gasverdrängung der Reaktivgastrennfaktor auf einfache und kostengünstige Art und Weise durch Anordnung des Inertgas bzw. Spülgaseinlasses innerhalb eines Verbindungsspalts zwischen benachbarten Beschichtungskammern erhöht und somit die Überströmung von Gasen von einer in die benachbarte Kammer vermindert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Geisler et al. in „Latest advance of process technology in architectural glass coaters and applications” (Proc. Glass Processing Days (2005) 197–200) [0007]
G. A. Bird in ”Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows (Monography, Clarendon Press, Oxford (1994)) [0049]
A. Pflug et al., „Design tools and simulations for plasma processing in large area coaters” (In: Proc. 52nd SVC Annual Technical Conference Proceedings (2009), p. 364–369 [0049]
„Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows” von G. A. Bird (Monography, Clarendon Press, Oxford (1994)) [0057]

Claims

Beschichtungsanlage zum Beschichten eines Substrats mit zumindest einer ersten und einer zweiten Beschichtungskammer, welche jeweils mindestens eine Beschichtungseinrichtung zur Beschichtung des Substrates aufweisen, mindestens einem Übergangsbereich, welcher die erste und die zweite Beschichtungskammer miteinander verbindet, zum Durchgang des Substrats von der ersten in die zweite Beschichtungskammer, mindestens einer Transporteinheit zum Befördern des Substrats von der ersten Beschichtungskammer durch den Übergangsbereich zur zweiten Beschichtungskammer, und mindestens einem Spülgaseinlass zum Zuführen von Spülgas in die erste und/oder zweite Beschichtungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein oder genau ein Spülgaseinlass in dem mindestens einen Übergangsbereich zwischen der ersten und zweiten Beschichtungskammer angeordnet ist.
Beschichtungsanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich zumindest an seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und/oder an seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer und/oder ganz oder teilweise auf seiner ganzen Länge in Form eines sich in Transportrichtung des Substrates erstreckenden Spalts ausgebildet ist.
Beschichtungsanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Länge des Übergangsbereichs in Transportrichtung des Substrats und der Höhe des Spalts quer zur Transportrichtung des Substrats ≥ 5:1, insbesondere ≥ 10:1 insbesondere ≥ 20:1, ist.
Beschichtungsanlage nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt einen rechteckigen, gekrümmten oder wellenförmigen Querschnitt aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich zwischen seiner Öffnung zur ersten Beschichtungskammer und seiner Öffnung zur zweiten Beschichtungskammer, insbesondere mittig, einen Hohlraum aufweist, in welchem mindestens ein Spülgaseinlass angeordnet ist.
Beschichtungsanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige oder sämtliche Spülgaseinlässe in dem Hohlraum angeordnet sind.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Beschichtungskammer jeweils mindestens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, aufweisen.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungseinrichtung der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer als Magnetron-Sputterquelle und/oder als Reaktor für chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, insbesondere für plasmaunterstützte chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, ausgebildet ist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Beschichtungskammer mindestens einen Reaktivgaseinlass zum Zuführen von Reaktivgas, insbesondere von O₂, N₂, H₂, NH₃, NO₂, N₂O, CO₂, CH₄, H₂S oder einer Mischung dieser, in die jeweilige Beschichtungskammer aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung als Rolleinrichtung mit einer Vielzahl an Rollen ausgebildet ist, wobei im Bereich des Übergangsbereichs angeordnete Rollen insbesondere durch mindestens eine Trennwand voneinander getrennt sind.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Übergangsbereich und der mindestens eine Spülgaseinlass derart ausgebildet sind, dass ein Spülgasdruck im Übergangsbereich höher, insbesondere mindestens um einen Faktor 2, insbesondere um einen Faktor 3 größer, als der Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und als der Spülgasdruck in der zweiten Beschichtungskammer erzeugbar ist.
Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas ein Inertgas, welches vorteilhafterweise He, Ne, Ar, Kr und/oder Xe enthält oder daraus besteht, ist.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats, wobei das Substrat, in einer ersten Beschichtungskammer beschichtet wird, durch mindestens einen Übergangsbereich von der ersten Beschichtungskammer in eine zweite Beschichtungskammer transportiert wird, und in der zweiten Beschichtungskammer beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Beschichtens des Substrats in der ersten und/oder der zweiten Beschichtungskammer und/oder während des Transports des Substrats von der ersten Beschichtungskammer zur zweiten Beschichtungskammer ein Spülgas derart in den Übergangsbereich eingeleitet wird, dass Spülgas aus dem Übergangsbereich in die erste und die zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas derart unter Druck in den Übergangsbereich eingeleitet wird, dass der Spülgasdruck im Übergangsbereich größer, insbesondere mindestens um einen Faktor 2 größer, ist als der Spülgasdruck in der ersten Beschichtungskammer und ein zweiter Spülgasdruck in der zweiten Beschichtungskammer.
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülgas ein Inertgas, welches insbesondere He, Ne, Ar, Kr und/oder Xe enthält oder daraus beseht, verwendet wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Beschichtens in der ersten und/oder zweiten Beschichtungskammer Gas aus der ersten und zweiten Beschichtungskammer abgepumpt wird und/oder ein Reaktivgas, vorteilhafterweise O₂, N₂, H₂, NH₃, NO₂, N₂O, CO₂, CH₄ und/oder H₂S enthaltend oder Mischungen dieser, in die erste und/oder zweite Beschichtungskammer eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.
Verwendung, der Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 17 im Bereich der Großflächenbeschichtung für Architektur- oder Automobilverglasung mit einer oder mehreren Schichten, insbesondere mit Sonnenschutzschichten und/oder mit niedrig emittierende Schichten, insbesondere metallische und/oder im Infraroten reflektierende Schichten, die bevorzugt in Metalloxidschichten zur Minderung von Reflexionsverlusten im Sichtbaren und zur Farbanpassung eingebettet sind, und/oder für die Photovoltaik zum Aufbringen von Antireflexschichten, Halbleiterschichten und/oder transparenten Elektroden auf ein Substrat.