DE102020208728A1 - Verfahren zum örtlich begrenzten ausbessern von oberflächenbeschichtungsfehlern - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines Oberflächenfehlerbereichs einer Beschichtung auf einem Substrat und einer Position des Oberflächenfehlers. Das Verfahren umfasst ferner ein gezieltes und lokales Beheben des Oberflächenfehlers durch Aufbringen eines Korrekturbeschichtungsbereichs auf dem Oberflächenfehlerbereich auf Grundlage der Position des Oberflächenfehlers mittels räumlich getrennter Atomlagenabscheidung (SALD) unter Verwendung eines SALD-Reaktors.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein örtlich begrenztes Verfahren für Oberflächenbeschichtungsfehler und in bestimmten Ausführungsformen die Verwendung einer räumlich getrennten Atomlagenabscheidung (spatial atomic layer deposition, SALD) für die örtlich begrenzte Ausbesserung von Oberflächenbeschichtungsfehlern.
  • HINTERGRUND
  • Zur Erzeugung erwünschter Oberflächeneigenschaften von Substraten können die Substrate beschichtet werden. Nicht einschränkende Beispiele für diese Oberflächeneigenschaften können Korrosionsbeständigkeit, Elektronenleitfähigkeit, Ionenleitfähigkeit, Isolierung, elektronische Oberflächenpassivierung, Vereisungsschutz, Schutz vor Bewuchs, Selbstreinigung und Superhydrophobie umfassen. Beschichtete Substrate können in vielen Anwendungen und Branchen verwendet werden. Nicht einschränkende Beispiele für Anwendungen und Branchen für beschichtete Substrate umfassen den Automobilsektor, das Bauwesen und Haushaltsgeräte. Eine besondere Anwendung im Automobilbereich sind Beschichtungen von Metallen, die in Brennstoffzellenkomponenten verwendet werden, darunter Bipolarplatten (BPP). In vielen Anwendungen ist eine vollständige, gleichmäßige und fehlerfreie Beschichtung wünschenswert, da eine relativ kleine Menge an Beschichtungsfehlern bewirken kann, dass die Beschichtung nicht mehr für ihren vorgesehenen Zweck geeignet ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung offenbart. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines Oberflächenfehlerbereichs einer Beschichtung auf einem Substrat und einer Position des Oberflächenfehlers. Das Verfahren umfasst ferner ein gezieltes und lokales Beheben des Oberflächenfehlers durch Aufbringen eines Korrekturbeschichtungsbereichs auf dem Oberflächenfehlerbereich auf Grundlage der Position des Oberflächenfehlers mittels räumlich getrennter Atomlagenabscheidung (SALD) unter Verwendung eines SALD-Reaktors.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung offenbart. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines Oberflächenfehlerbereichs einer Beschichtung auf einem Substrat, das sich in einer Längsrichtung bewegt, und einer Position des Oberflächenfehlers. Das Verfahren umfasst ferner ein gezieltes und lokales Beheben des Oberflächenfehlers durch Aufbringen eines Korrekturbeschichtungsbereichs auf dem Oberflächenfehlerbereich auf Grundlage der Position des Oberflächenfehlers mittels räumlich getrennter Atomlagenabscheidung (SALD) unter Verwendung eines SALD-Reaktors, während sich das bewegliche Substrat in Längsrichtung bewegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat offenbart. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines Oberflächenfehlerbereichs einer Beschichtung aus einem ersten Material auf einem Substrat, das sich in einer Längsrichtung bewegt, und einer Position des Oberflächenfehlers. Das Verfahren umfasst ferner ein gezieltes und lokales Beheben des Oberflächenfehlers durch Aufbringen einer Korrekturbeschichtung aus einem zweiten Material auf dem Oberflächenfehlerbereich auf Grundlage der Position des Oberflächenfehlers mittels räumlich getrennter Atomlagenabscheidung (SALD) unter Verwendung eines SALD-Reaktors, während sich das bewegliche Substrat in Längsrichtung bewegt.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Reihenbeschichtungssystems gemäß einer Ausführungsform.
    • 2 ist eine vereinfachte Draufsicht auf ein beschichtetes Substrat gemäß einer Ausführungsform.
    • 3 ist eine Querschnittdarstellung eines Fehlerbereichs entlang der Linie 3-3 von 2.
    • 4 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines SALD-Systems als Bestandteil des in 1 dargestellten Reihenbeschichtungssystems.
    • 5 ist eine Querschnittdarstellung einer Reaktantenkammer 102 des in 4 dargestellten SALD-Systems.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im vorliegenden Dokument sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und weitere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale könnten zur Darstellung von Einzelheiten bestimmter Komponenten übertrieben oder verkleinert dargestellt sein. Spezielle Einzelheiten zu Struktur und Funktion, die im vorliegenden Dokument offenbart sind, sollen deshalb nicht als einschränkend, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage ausgelegt werden, damit einem Fachmann die unterschiedliche Nutzung der Ausführungsformen vermittelt wird. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die bezogen auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren weiteren Figuren veranschaulicht sind, damit Ausführungsformen geschaffen werden, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Merkmalskombinationen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale entsprechend der Lehre dieser Offenbarung könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Ausführungen wünschenswert sein.
  • Außer in den Beispielen oder wo sie sonst ausdrücklich angegeben sind, sind sämtliche zahlenmäßigen Größen in dieser Beschreibung, mit denen Materialmengen oder Reaktions- und/oder Verwendungsbedingungen angegeben sind, so zu verstehen, dass sie mit dem Wort „ungefähr“ abgeschwächt sind und so den Schutzbereich der Erfindung im weitesten Umfang beschreiben. Im Allgemeinen wird die praktische Ausführung innerhalb der angegebenen zahlenmäßigen Grenzwerte bevorzugt. Sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, sind zudem Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte gewichtsbezogen; umfasst der Begriff „Polymer“ „Oligomer,“ „Copolymer,“ „Terpolymer“ und Ähnliches; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit der Erfindung geeignet oder bevorzugt, dass Gemische aus beliebigen zwei oder mehr von den Elementen der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich eine auf ein beliebiges Polymer angegebene molare Masse auf die zahlengemittelte molare Masse; bezieht sich die Beschreibung von Bestandteilen chemisch gesehen auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung angegeben ist, und schließt nicht unbedingt chemische Wechselwirkungen unter den Bestandteilen einer Mischung aus, sobald sie vermischt sind; gilt die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung für sämtliche nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung im vorliegenden Dokument und gilt analog für reguläre grammatische Varianten der eingangs definierten Abkürzung; und wird der Messwert einer Eigenschaft, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, mit demselben Verfahren bestimmt, wie zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
  • Diese Erfindung ist nicht auf die nachstehend beschriebenen speziellen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt, da spezielle Komponenten und/oder Bedingungen selbstverständlich unterschiedlich sein können. Die im vorliegenden Dokument verwendete Terminologie dient ferner lediglich zur Beschreibung besonderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und soll keinesfalls einschränkend sein.
  • Die Singularform „ein,“ „eine“ sowie „der“, „die“ und „das“ umfasst, wenn sie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, Bezugsobjekte im Plural, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes ergibt. Bei Bezugnahme auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten als umfasst gelten.
  • Der Begriff „im Wesentlichen“ kann im vorliegenden Dokument zur Beschreibung offenbarter oder beanspruchter Ausführungsformen verwendet werden. Der Begriff „im Wesentlichen“ kann einen Wert oder eine relative Eigenschaft abändern, der bzw. die in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht ist. In diesen Fällen kann „im Wesentlichen“ bedeuten, dass der Wert oder die relative Eigenschaft, den bzw. die sie abändert, innerhalb von ± 0%, 0,1%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% oder 10% des Werts oder der relativen Eigenschaft liegt.
  • Je nach Kosten und Qualität können Verfahren zur Beschichtung von Substratoberflächen in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden. Die erste Kategorie umfasst relativ geringere Kosten, einen höheren Durchsatz und teilweise gleichmäßige Beschichtungen. Diese Beschichtungen können mit einem Lösungsverfahren oder einem schnellen Gasphasenabscheidungsverfahren aufgebracht werden. Nicht einschränkende Beispiele für Lösungsverfahren umfassen Rotationsbeschichtung und Rolle-zu-Rolle-Inkjetbeschichtung. Nicht einschränkende Beispiele für schnelle Gasphasenabscheidungsverfahren umfassen thermisches Verdampfen und Sputtern. Die zweite Kategorie umfasst relativ höhere Kosten, einen geringeren Durchsatz, extrem gleichmäßige Dünnfilmbeschichtungen, die als einzelne Atomlagen abgeschieden werden. Ein nicht einschränkendes Beispiel für ein solches Verfahren ist die Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD).
  • Eine Beschichtung der zweiten Kategorie kann zwar für viele Anwendungen eingesetzt werden, jedoch haben die hohen Kosten in Verbindung mit dem relativ geringen Durchsatz bei einem Verfahren der zweiten Kategorie den Einsatz derartiger Verfahren auf breiter Basis gehemmt. Der geringe Durchsatz eines ALD-Verfahrens sorgt bei einem derartigen Verfahren zum Beispiel typischerweise für eine geringere Verbreitung in Branchen außerhalb von relativ hochwertigen Produkten wie Halbleiterchips. Die Abscheiderate eines ALD-Verfahrens kann bei einem der folgenden Werte oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 0,8, 0,9, 1,0, 1,1 und 1,2 nm/min. Bei in der Entstehung begriffenen Anwendungen wie Korrosionsschutzbeschichtungen von Bipolarplatten für Brennstoffzellen ist die Aufbringung einer extrem gleichmäßigen Korrosionsschutzschicht mit einem ALD-Verfahren aus einem wirtschaftlichen Verfahren möglicherweise nicht sinnvoll.
  • Es wurde ein anderes Verfahren vorgeschlagen, das bestimmte gemeinsame Merkmale von Beschichtungen sowohl der ersten als auch der zweiten Kategorie aufweist. Die räumlich getrennte Atomlagenabscheidung (SALD) ist ein Verfahren, mit dem sich ein Film in ALD-Qualität mit einem höheren Durchsatz als mit einer herkömmlichen ALD abscheiden lässt. Die Abscheiderate eines SALD-Verfahrens kann bei einem der folgenden Werte oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 10, 15, 20, 25, 30 und 35 nm/min. Im Gegensatz zur herkömmlichen ALD, bei der die Abscheidekammer bei jedem Atomlagenabscheidungsschritt evakuiert und entlüftet werden muss, kann darüber hinaus die SALD in atmosphärischer Umgebung durchgeführt werden, was durch den Einsatz von gasführenden Separatoren erleichtert wird. Damit entfällt der langwierige Zyklus der ALD aus Evakuierung und Entlüftung, wodurch ein hoher Verfahrensdurchsatz möglich ist.
  • Die vorliegende Offenbarung stellt eine zusammenwirkende Kombination aus einem Beschichtungsverfahren der ersten Kategorie, beispielsweise Rotationsbeschichtung und Rolle-zu-Rolle-Inkjetbeschichtung, in einer Reihe mit einem Hybridbeschichtungsverfahren wie SALD zur räumlich gesteuerten Behebung von Oberflächenfehlern bereit, die von dem Beschichtungsverfahren der ersten Kategorie verursacht wurden. Dieses Kombinationsverfahren umfasst einen oder mehrere Vorteile eines verhältnismäßig hohen Durchsatzes und/oder einer Bereitstellung einer gleichmäßigen, gleichbleibenden, fehlerfreien Beschichtung.
  • „Reihen-“ kann als Bezug auf ein Verfahren verwendet werden, in dem zwei oder mehr Verfahren oder Verfahrensschritte als Teil eines kontinuierlichen Verfahrens durchgeführt werden. „Reihen-“ kann sich auf die Durchführung eines ersten Verfahrens oder Verfahrensschritts beziehen, gefolgt von der Durchführung eines zweiten Verfahrens oder Verfahrensschritts innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums nach dem ersten Verfahren oder Verfahrensschritt.
  • 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Reihenbeschichtungssystems 10 gemäß einer Ausführungsform. Ein Substrat 12 wird auf eine erste Förderrolle 14 gelegt. Das Substrat 12 kann ein für die Herstellung von Strömungsfeldplatten von Brennstoffzellen, beispielsweise Bipolarplatten (BPP), verwendeter Metallwerkstoff sein. Nicht einschränkende Beispiele für Metallwerkstoffe umfassen Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Kombinationen daraus. Die Stärke des für die Herstellung von Strömungsfeldplatten von Brennstoffzellen verwendeten Metallwerkstoffs kann bei einem der folgenden Werte oder in einem Bereich von beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2,0, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4 und 2,5 mm. Das Substrat 12 kann auch aus einem Werkstoff auf Graphitbasis gebildet sein. Das Reihenbeschichtungssystem 10 kann abgesehen von Metallwerkstoffen und Werkstoffen auf Graphitbasis bei verschiedenen Substratmaterialien angewendet werden, darunter Glas, Halbleiter und Polymere.
  • Wie in 1 dargestellt ist, wird das Substrat 12 in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren horizontal transportiert. In weiteren Ausführungsformen kann das Substrat 12 bezogen auf den Boden, der das Reihenbeschichtungssystem 10 trägt, vertikal oder unter einem Winkel zwischen der Horizontalen und der Vertikalen transportiert werden. Das Substrat 12 kann mechanisch von einer Abwickelrolle 11 abgerollt werden und mit einer ersten und zweiten Förderrolle 14 und 16 in der Längsrichtung 18 horizontal transportiert werden. In Laufrichtung hinter der zweiten Förderrolle 16 wird das Substrat 12 auf die Aufwickelrolle 17 aufgerollt. Die Fördergeschwindigkeit des Reihenbeschichtungssystems 10 kann bei einem der folgenden Werte oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 0,1, 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 Meter/min. Die Strecke zwischen der ersten und zweiten Förderrolle 14 und 16 kann bei einem der folgenden Werte oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 0,5, 1, 1,5 und 2 Meter. Die Strecke zwischen der ersten und zweiten Förderrolle 14 und 16 kann in mehrere Zonen unterteilt sein. Diese Zonen können eine Primärbeschichtungszone 20, eine Erfassungszone 22, die in Laufrichtung hinter der Primärbeschichtungszone 20 liegt, und eine Sekundärbeschichtungszone 24 umfassen, die in Laufrichtung hinter der Primärbeschichtungszone 20 und der Sekundärbeschichtungszone 24 liegt.
  • In einer Ausführungsform weist die Primärbeschichtungszone 20 ein über dem Substrat 12 befindliches Laserdrucksystem 26 auf. Das Laserdrucksystem 26 ist so eingerichtet, dass es auf das Substrat 12 eine Beschichtung 28 mit einer im vorliegenden Dokument angegebenen Dicke oder im hier angegebenen Dickenbereich aufbringt. Nicht einschränkende Beispiele für Materialien für die Beschichtung 28 umfassen Oxide, beispielsweise binäre und ternäre Oxide. Binäre Oxide können die allgemeine Formel AxOy aufweisen, worin A ein Metall ist. Das Zusammensetzungsverhältnis zwischen x und y kann unterschiedlich oder gleich sein. Nicht einschränkende Beispiele für binäre Oxide umfassen MgO, Al2O3, TiO2, ZrO2, ZnO, SnO2, Cr2O3, MoO3, MoO2, NbO, TiO, CrO2, RuO2, CuO, NiO, MnO2, SiO2 und Fe2O3. Das Beschichtungsmaterial kann ein ternäres Oxid in der Form ABOx sein, wobei A ein Metall von einem Metalloxid der Kategorie (1) ist und B ein Metall von einem Metalloxid der Kategorie (2) ist. Das Zusammensetzungsverhältnis zwischen A und B kann unterschiedlich (z.B. A0,1B0,9Ox, A0,2B0,8Ox, A0,3B0,7Ox, A0,8B0,2Ox, A0,9B0,1Ox usw.) oder gleich sein.
  • Die Dicke der Beschichtung 12 kann bei einem der folgenden Werte oder im Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7 und 0,8 µm. Das Laserdrucksystem 26 kann so eingerichtet sein, dass damit die gesamte Breite des Substrats 12 oder weniger als die gesamte Breite des Substrats 12 (z.B. 90%, 80%, 50% oder 25%) beschichtet wird. Die Breite des Substrats 12 kann bei einem der folgenden Werte oder im Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,5 und 2 Meter. Die Auftragsgeschwindigkeit des Laserdrucksystems 26 kann von der Fördergeschwindigkeit des Substrats 12 mit der ersten und zweiten Förderrolle 14 und 16 des Reihenbeschichtungssystems 10 abhängen. Die Fördergeschwindigkeit des Reihenbeschichtungssystems 10 kann bei einem der folgenden Werte oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 0,1, 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 m/min.
  • Das Laserdrucksystem 26 oder ein anderes Substratbeschichtungssystem kann auf der Oberfläche und im Volumen der Beschichtung 28 Beschichtungsfehler verursachen. Der Beschichtungsfehler kann ein Fehlerbereich sein, in dem zwischen der mittleren Dicke der Beschichtung 28 und dem Fehlerbereich eine Abweichung vorliegt. Der Fehlerbereich kann eine oder mehrere Vorwölbungen auf der Oberfläche der Beschichtung 28 aufweisen, wobei die Vorwölbungen eine stärkere Beschichtungsdicke aufweisen als die mittlere Beschichtungsdicke. Der Fehlerbereich kann ein oder mehrere Löcher auf der Oberfläche der Beschichtung 28 aufweisen, wobei das eine oder die mehreren Löcher kein Beschichtungsmaterial aufweisen und die Dicke bei den Löchern deshalb geringer ist als die mittlere Beschichtungsdicke. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Fehlerbereich eine oder mehrere Vorwölbungen und ein oder mehrere Löcher aufweisen. Die durchschnittliche Dickenabweichung bei dem einen oder den mehreren Löchern und/oder der einen oder den mehreren Vorwölbungen kann bei einem der folgenden Werte oder im Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 und 100 nm. Die Fläche des einen oder der mehreren Löcher und/oder der einen oder der mehreren Vorwölbungen entlang der Oberfläche der Beschichtung 28 kann bei einem der folgenden Werte oder im Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140 und 150 nm. Der Fehlerbereich kann eine oder mehrere, eine Vielzahl von Löchern und/oder eine Vielzahl von Vorwölbungen aufweisen. Der Flächeninhalt des Fehlerbereichs kann bei einem der folgenden Werte oder im Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 0,01, 0,05, 0,1, 0,15 und 0,2 µm.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf das Substrat 10 und die Beschichtung 28, wo die Beschichtung 28 den Fehlerbereich 50 aufweist. 3 zeigt eine Querschnittdarstellung des Substrats 12 und der Beschichtung 28, wo die Beschichtung 28 einen ersten, zweiten und dritten Fehler 52, 54 und 56 im Fehlerbereich 50 aufweist. Wie in 3 dargestellt ist, sind im Fehlerbereich 50 mehrere Fehler vorhanden. Alternativ kann in einem Fehlerbereich der Beschichtung 28 ein einzelner Fehler vorhanden sein. Der erste, zweite und dritte Fehler 52, 54 und 56 erstrecken sich von der Oberfläche der Beschichtung 28 aus nach innen in Richtung Substrat 12, obwohl es möglich ist, dass Fehler sich von der Oberfläche der Beschichtung 28 aus weg von dem Substrat 12 nach außen erstrecken.
  • In 1 umfasst die Erfassungszone 22 ein Beschichtungsdickenmesssystem 30. Das Beschichtungsdickenmesssystem 30 ist so eingerichtet, dass es Beschichtungsfehlerbereiche wie den Fehlerbereich 50 in der Oberfläche der Beschichtung 28 erkennt. Das Beschichtungsdickenmesssystem 30 ist in einer Reihe mit dem Laserdrucksystem 26 angeordnet. Das Beschichtungsdickenmesssystem 30 ist ebenso in einer Reihe mit dem SALD-System 32 angeordnet, das nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Das Laserdrucksystem 26, das Beschichtungsdickenmesssystem 30 und das SALD-System 32 sind in einer Reihe angeordnet, da die erste und zweite Förderrolle 14 und 16 das Substrat 12 derart bereitstellen, dass es sich in einer Längsrichtung bewegt, sodass jedes der Systeme 26, 30 und 32 die jedem dieser Systeme zugehörigen Funktionen in Abhängigkeit von der Fördergeschwindigkeit der ersten und zweiten Förderrolle 14 und 16 aufeinanderfolgend ausführt. In Verbindung mit einer Steuerung 34 kann das Beschichtungsdickenmesssystem 30 ein Filmcharakterisierungsverfahren zum Erkennen eines Fehlerbereichs auf der Oberfläche der Beschichtung 28 und einer Position des Fehlerbereichs nutzen. Das Filmcharakterisierungsverfahren kann zum Erstellen einer Dickentopologie von zumindest einem Bereich der oder der gesamten Beschichtung 28 eingesetzt werden. Mit der Dickentopologie kann eine mittlere Dicke der Beschichtung 28 und die Position von Fehlerbereichen auf der Oberfläche der Beschichtung 28 ermittelt werden. Mit dem Filmcharakterisierungsverfahren kann die Position eines Fehlerbereichs innerhalb einer Toleranz von einer der folgenden oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Angaben erkannt werden: ±10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 und 100 nm.
  • Nicht einschränkende Beispiele für Filmcharakterisierungsverfahren, die von dem Beschichtungsfehlererkennungssystem 30 in Verbindung mit der Steuerung 34 genutzt werden können, umfassen ein Laserdickenkalibrierungsverfahren, ein Infrarotthermographieverfahren und ein Röntgenfluoreszenzverfahren („RF-Verfahren“).
  • In einer Ausführung eines Laserdickenkalibrierungsverfahrens umfasst das Beschichtungsdickenmesssystem 30 eine Lichtquelle, die so eingerichtet ist, dass sie ein Laserlicht auf einen Bereich der Beschichtung 28 strahlen lässt, und einen Lichtdetektor, der so eingerichtet ist, dass er Daten zur optischen Interferenz gewinnt, die durch das Laserlicht von dem Bereich der Beschichtung 28 erzeugt werden. Das Beschichtungsdickenmesssystem 30 ist so eingerichtet, dass es die Daten zur optischen Interferenz an die Steuerung 34 überträgt. Die Steuerung 34 ist so eingerichtet, dass sie auf Grundlage der Daten zur optischen Interferenz eine Dicke in unterschiedlichen Bereichen der Beschichtung 28 sowie die Position dieser Dicken berechnet.
  • In einer Ausführung eines Infrarotthermographieverfahrens umfasst das Beschichtungsdickenmesssystem 30 eine Heizvorrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie einen Bereich der Oberfläche der Beschichtung 28 erwärmt, sowie eine Infrarotkamera, die so eingerichtet ist, dass sie als Reaktion auf die Erwärmung Daten zur Infrarotstrahlung von dem Bereich empfängt. Das Beschichtungsdickenmesssystem 30 ist so eingerichtet, dass es die Daten zur Infrarotstrahlung an die Steuerung 34 überträgt. Die Steuerung 34 ist so eingerichtet, dass sie auf Grundlage der Daten zur Infrarotstrahlung eine Dicke in unterschiedlichen Bereichen der Beschichtung 28 sowie die Position dieser Dicken berechnet.
  • In einer Ausführung eines RF-Verfahrens umfasst das Beschichtungsdickenmesssystem 30 eine gesteuerte Röntgenröhre, die so eingerichtet ist, dass sie die Oberfläche der Beschichtung 28 mit hochenergetischen Röntgenstrahlen bestrahlt, und einen Röntgendetektor, der so eingerichtet ist, dass der Daten zu Röntgenfluoreszenz gewinnt, die von der Oberfläche der Beschichtung 28 abgestrahlt wird. Das Beschichtungsdickenmesssystem 30 ist so eingerichtet, dass es die Daten zur Röntgenfluoreszenz an die Steuerung 34 überträgt. Die Steuerung 34 ist so eingerichtet, dass sie auf Grundlage der Daten zur Röntgenfluoreszenz eine Dicke in unterschiedlichen Bereichen der Beschichtung 28 sowie die Position dieser Dicken berechnet.
  • Die Sekundärbeschichtungszone 24 weist ein SALD-System 32 auf. Das SALD-System 32 ist so eingerichtet, dass es Beschichtungsfehler in der Oberfläche der Beschichtung 28 ausbessert oder auffüllt. 4 ist eine perspektivische, vereinfachte Darstellung des SALD-Reaktors 100, der über der Oberfläche der Beschichtung 28 angeordnet ist. Der SALD-Reaktor ist rechteckig geformt, wobei die längere Seite in der Längsrichtung des Reihenbeschichtungssystems 10 verläuft und die kürzere Seite in der Seitenrichtung (z.B. quer zur Längsrichtung) des Reihenbeschichtungssystems 10 verläuft, obwohl die Abmessungen der rechteckigen Seiten vertauscht werden können, sodass die längere Seite in der Seitenrichtung verläuft und die kürzere Seite in der Längsrichtung verläuft.
  • Der Reaktor 100 weist eine Reaktantenkammer 102, einen Abgassammler 104 und eine Vakuumpumpe 106 auf. 6 ist eine Querschnittdarstellung der Reaktantenkammer 102 des SALD-Reaktors 100. Die Reaktantenkammer 102 weist eine Präkursordüse 108, eine Oxidationsmitteldüse 110, eine erste gasführende Düse 112, eine zweite gasführende Düse 114 und eine dritte gasführende Düse 116 auf. Die Präkursordüse 108 befindet sich zwischen der ersten und zweiten gasführenden Düse 112 und 114. Die Oxidationsmitteldüse 110 befindet sich zwischen der zweiten und dritten gasführenden Düse 114 und 116. Die Reaktantenkammer 102 weist auch einen ersten, zweiten, dritten und vierten Abgaskanal 118, 120, 122 und 124 auf.
  • Durch einen Einlass 126 für gasförmiges Präkursormaterial wird ein gasförmiges Präkursormaterial in die Reaktantenkammer 102 geleitet und wird in und durch die Präkursordüse 108 geführt. Das Präkursormaterial kann ein Präkursormaterial auf Metallbasis sein. Das Metall in dem Präkursormaterial auf Metallbasis kann dasselbe sein wie das Metall in einem binären Oxidbeschichtungsmaterial oder dasselbe wie eins der Metalle in einem ternären Oxidbeschichtungsmaterial. In einer weiteren Ausführungsform kann das Metall in dem Präkursormaterial auf Metallbasis ein anderes sein als das Metall in dem binären Oxidbeschichtungsmaterial oder ein anderes als beide der Metalle in einem ternären Oxidbeschichtungsmaterial. In einem Beispiel ist das Beschichtungsmaterial ein Beschichtungsmaterial auf Basis von Aluminium, beispielsweise Al2O3, und das Präkursormaterial ist ein Präkursor auf Aluminiumbasis, beispielsweise Trimethylaluminium („TMA“). Das Präkursormaterial strömt durch die Präkursordüse 108 aus der Reaktantenkammer 102 und auf die Beschichtung 28 und bildet so die Präkursorschicht 128. Wie in 5 dargestellt ist, bewegt sich der SALD-Reaktor 100 in der Längsrichtung 18 mit einer schnelleren Geschwindigkeit als die Fördergeschwindigkeit der ersten und zweiten Förderrolle 14 und 16, sodass der SALD-Reaktor die Präkursorschicht 128 in der Längsrichtung 18 auf der Beschichtung 28 abscheidet. Überschüssiges gasförmiges Präkursormaterial bewegt sich von der Beschichtung 28 weg, wie mit dem gekrümmten Pfeil unter der Präkursordüse 108 dargestellt ist. Dieses überschüssige gasförmige Material strömt durch den ersten und zweiten Abgaskanal 118 und 120 aus der Reaktantenkammer 102 hinaus.
  • Durch einen Einlass 131 für gasförmiges Oxidationsmittelmaterial wird ein gasförmiges Oxidationsmittelmaterial in die Reaktantenkammer 102 geleitet und wird in und durch die Oxidationsmitteldüse 110 geführt. Das Oxidationsmittelmaterial kann H2O, O2, O3 oder ein anderes Oxidationsmittel sein, je nach der Reaktionschemie mit dem Präkursormaterial. Das Oxidationsmittelmaterial strömt durch die Oxidationsmitteldüse 110 aus der Reaktantenkammer 102 und auf die Beschichtung 28 und bildet so die Oxidationsmittelschicht 130. Wie in 5 dargestellt ist, bewegt sich der SALD-Reaktor 100 in der Längsrichtung 18 mit einer schnelleren Geschwindigkeit als die Fördergeschwindigkeit der ersten und zweiten Förderrolle 14 und 16, sodass der SALD-Reaktor die Oxidationsmittelschicht 128 in der Längsrichtung 18 auf der Beschichtung 28 abscheidet. Überschüssiges gasförmiges Oxidationsmittelmaterial bewegt sich von der Beschichtung 28 weg, wie mit dem gekrümmten Pfeil unter der Oxidationsmitteldüse 110 dargestellt ist. Dieses überschüssige gasförmige Material strömt durch den dritten und vierten Abgaskanal 122 und 124 aus der Reaktantenkammer 102 hinaus.
  • Wenn sich die Präkursorschicht 128 und die Oxidationsmittelschicht 130 vermischen, findet eine Reaktion statt, bei der ein Oxidmaterial gebildet wird. Wenn es sich bei dem Präkursormaterial um ein Präkursormaterial auf Aluminiumbasis handelt, würde bei der Reaktion Al2O3 entstehen, das als Schicht auf der Beschichtung 28 gebildet werden würde. Eine derartige Schicht kann die in 5 dargestellte Schicht 132 sein.
  • Die erste, zweite und dritte gasführende Düse 112, 114 und 116 sind so eingerichtet, dass sie Inertgase (die durch den Inertgaseinlass 138 in die Reaktantenkammer strömen) zwischen den Reaktanten Präkursor und Oxidationsmittel strömen lassen, sodass sie außerhalb einer vorgesehenen Reaktionszone nicht miteinander in Berührung kommen. Nicht einschränkende Beispiele für Inertgase umfassen Stickstoff, Neon, Xenon und Argon. Die Inertgasströme können als Gaslager zur Minderung von Reibung zwischen dem SALD-Reaktor 100 und der Beschichtung 28 dienen. Die Inertgasströme sind auch so ausgelegt, dass sie überschüssige Reaktanten (z.B. Präkursor und Oxidationsmittel) von der Oberfläche der Beschichtung 28 weg und durch die Abgaskanäle 118, 120, 122 und 124 transportieren. Die Abgaskanäle 118, 120, 122 und 124 sind mit dem Abgassammler 104 verbunden, der mit der Vakuumpumpe 106 verbunden ist. Die Vakuumpumpe 106 ist so eingerichtet, dass sie in den Abgaskanälen 118, 120, 122 und 124 einen Vakuumzustand erzeugt. Gasströme, die aus den Abgaskanälen 118, 120, 122 und 124 strömen, werden folglich bei einem zweiten Druck aus den Abgaskanälen 118, 120, 122 und 124 abgeführt, der geringer ist als der Umgebungsdruck. Während des Vorgangs zum Abführen der Gasströme können sich der SALD-Reaktor 100 und das Substrat 12 in einer Schleusenkammer befinden, damit das Substrat 12 in einem Vakuumzustand bleibt. Durch den Vorgang zum Abführen der Gasströme wird das Austreten von Präkursorgasen eingeschränkt oder verhindert.
  • Die Reaktantenkammer 102 weist eine Bodenfläche 132 auf. Die Bodenfläche 132 ist rechteckig geformt und die Düsen 108 bis 116 erstrecken sich derart entlang der kürzeren Seite der Reaktantenkammer 132, dass die von ihnen erzeugten Gasströme in Schichten in der Richtung der kürzeren Seite der Reaktantenkammer 102 verlaufen. Die Fläche der Bodenfläche 132 kann größer sein als der Fehlerbereich, jedoch kleiner als der Bereich der Beschichtung 28, der von dem Beschichtungsdickenmesssystem 30 erfasst wird. Die Reaktantenkammer 102 kann zum Abscheiden von Korrekturlagen aus Beschichtungsmaterial im Fehlerbereich und um den Fehlerbereich herum verwendet werden, damit sichergestellt ist, dass der gesamte Fehlerbereich mit der Korrekturbeschichtungslage behandelt wird. Die prozentuale Randfläche der Korrekturbeschichtungslage zusätzlich zur Fläche des Fehlerbereichs kann bei einem der folgenden Werte oder im Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15 oder 20 Prozent. In bestimmten Ausführungsformen können die Reaktantenkammern 102 wiederholt und kann so die Gesamtfläche für die Korrekturbeschichtung vergrößert werden, die auf der Beschichtung 32 abgeschieden wird.
  • Wie mit den Pfeilen 134 und 136 dargestellt ist, ist der SALD-Reaktor 100 so eingerichtet, dass er sich bezogen auf das Substrat 12 mit der Beschichtung 28 geradlinig in einer ersten und zweiten Richtung bewegt. In einer Ausführungsform ist der SALD-Reaktor 100 an einem Schlitten befestigt, der so eingerichtet ist, dass er sich geradlinig in einer ersten und zweiten Richtung bewegt, wodurch der SALD-Reaktor 100 geradlinig in der ersten und zweiten Richtung bewegt wird. In einer Ausführungsform verlaufen die erste und zweite Richtung rechtwinklig zueinander.
  • Die Steuerung 34 ist so eingerichtet, dass sie die Daten zur Beschichtungsdicke von dem Beschichtungsdickenmesssystem 30 empfängt und auf Grundlage der Daten zur Beschichtungsdicke die Dicke der Beschichtung 32 pro Position in jedem Erfassungsbereich der Beschichtung 32 ermittelt. Auf Grundlage der ermittelten Dickenpositionsdaten ermittelt die Steuerung 32 die Behebung von Fehlerbereichen (z.B. Fehlerbereich 50) in der Beschichtung 32. Auf Grundlage der Ermittlung von Fehlerbereichen und deren Position und Fläche erarbeitet die Steuerung 34 Befehle, die an das SALD-System 32 übertragen werden sollen, damit das SALD-System 32 eine örtlich begrenzte SALD-Beschichtung aufbringen und so die Fehlerbereiche ausbessern kann. Die Abscheiderate bei der örtlich begrenzten SALD-Beschichtung kann bei einem der folgenden Werte oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei der folgenden Werte liegen: 10, 20, 30 oder 40 nm/min. Die Steuerung 34 kann ferner so eingerichtet sein, dass sie an das System (z.B. Schlittenmotoren) Befehle sendet, das mit dem SALD-System 32 verbunden und so eingerichtet ist, dass es das SALD-System 32 geradlinig bewegt. Diese Befehle können verwendet werden, um das SALD-System 32 zu bewegen, wenn es sich in einem Ruhezustand befindet, während es sich zwischen Fehlerbereichen bewegt. Die an das SALD-System 32 übertragenen Befehle können verwendet werden, damit das SALD-System 32 aktiviert wird, wenn es sich über oder in der Nähe von einem Fehlerbereich befindet, und damit das SALD-System 32 deaktiviert wird, wenn es die Behebung des Fehlers bzw. der Fehler im Fehlerbereich abgeschlossen hat.
  • Die Steuerung 34 kann eine oder mehrere Einrichtungen aufweisen, die ausgewählt ist bzw. sind aus Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, digitalen Signalprozessoren, Mikrocomputern, zentralen Verarbeitungseinheiten, feldprogrammierbaren Logikgatteranordnungen, programmierbaren logischen Schaltungen, Zustandsautomaten, Logikschaltungen, Analogschaltungen, Digitalschaltungen oder beliebigen weiteren Einrichtungen, die (analoge oder digitale) Signale auf Grundlage von von einem Computer ausführbaren, im Speicher befindlichen Befehlen manipulieren. Der Speicher kann eine einzelne Speichervorrichtung oder mehrere Speichervorrichtungen aufweisen, darunter Direktzugriffsspeicher (RAM), flüchtiger Speicher, nichtflüchtiger Speicher, statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM), dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM), Flashspeicher, Cache-Speicher, ohne darauf beschränkt zu sein, oder jede beliebige andere Vorrichtung, mit der sich Informationen speichern lassen. Der nichtflüchtige Speicher kann eine oder mehrere permanente Datenspeichervorrichtungen wie eine Festplatte, ein optisches Laufwerk, ein Bandlaufwerk, eine nichtflüchtige Solid-State-Speichereinheit, einen Cloud-Speicher oder jede beliebige andere Vorrichtung aufweisen, mit der sich Informationen dauerhaft speichern lassen.
  • Zuvor sind zwar beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die die Ansprüche umfassen. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass ohne Abweichung vom Geist und Umfang der Offenbarung verschiedene Änderungen vorgenommen werden können. Wie zuvor beschrieben ist, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden und so weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Verschiedene Ausführungsformen könnten zwar so beschrieben worden sein, dass sie bezogen auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausführungen nach dem Stand der Technik bieten oder ihnen gegenüber bevorzugt sind, jedoch erkennt der Durchschnittsfachmann, dass auf ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften verzichtet werden kann, damit in der Gesamtheit erwünschte Systemattribute erzielt werden, die von der jeweiligen Anwendung und Ausführung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Somit liegen, sofern Ausführungsformen bezogen auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert beschrieben sind als andere Ausführungsformen oder Ausführungen nach dem Stand der Technik, diese Ausführungsformen nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln eines Oberflächenfehlerbereichs einer Beschichtung auf einem Substrat und einer Position des Oberflächenfehlers; und gezieltes und lokales Beheben des Oberflächenfehlers durch Aufbringen eines Korrekturbeschichtungsbereichs auf dem Oberflächenfehlerbereich auf Grundlage der Position des Oberflächenfehlers mittels räumlich getrennter Atomlagenabscheidung (SALD) unter Verwendung eines SALD-Reaktors.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte zum Ermitteln und Beheben in einer Reihe durchgeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Korrekturbeschichtungsbereich den Oberflächenfehlerbereich und einen Randbereich angrenzend an den Oberflächenfehlerbereich abdeckt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Korrekturschritt ein geradliniges Bewegen des SALD-Reaktors bezogen auf das Substrat und die Beschichtung umfasst, sodass sich der SALD-Reaktor über dem Fehlerbereich befindet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Korrekturschritt ferner ein Aktivieren des SALD-Reaktors umfasst, wenn sich der SALD-Reaktor über dem Fehlerbereich befindet.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ermittlungsschritt unter Verwendung eines Beschichtungsdickenmesssystems durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Beschichtungsdickenmesssystem mit Infrarotthermographie, Sichtprüfung mit Licht im sichtbaren Bereich, Röntgenfluoreszenz oder Röntgenbeugung arbeitet.
  8. Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln eines Oberflächenfehlerbereichs einer Beschichtung auf einem Substrat, das sich in einer Längsrichtung bewegt, und einer Position des Oberflächenfehlers; und gezieltes und lokales Beheben des Oberflächenfehlers durch Aufbringen eines Korrekturbeschichtungsbereichs auf dem Oberflächenfehlerbereich auf Grundlage der Position des Oberflächenfehlers mittels räumlich getrennter Atomlagenabscheidung (SALD) unter Verwendung eines SALD-Reaktors, während sich das bewegliche Substrat in Längsrichtung bewegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Korrekturbeschichtungsbereich den Oberflächenfehlerbereich und einen Randbereich angrenzend an den Oberflächenfehlerbereich abdeckt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum gezielten und lokalen Beheben in einer Schleusenkammer durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte zum Ermitteln und Beheben in einer Reihe durchgeführt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Korrekturschritt ein geradliniges Bewegen des SALD-Reaktors bezogen auf das Substrat und die Beschichtung umfasst, sodass sich der SALD-Reaktor über dem Fehlerbereich befindet.
  13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Korrekturschritt ferner ein Aktivieren des SALD-Reaktors umfasst, wenn sich der SALD-Reaktor über dem Fehlerbereich befindet.
  14. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Ermittlungsschritt mittels Infrarotthermographie, Sichtprüfung mit Licht im sichtbaren Bereich, Röntgenfluoreszenz oder Röntgenbeugung durchgeführt wird.
  15. Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln eines Oberflächenfehlerbereichs einer Beschichtung aus einem ersten Material auf einem Substrat, das sich in einer Längsrichtung bewegt, und einer Position des Oberflächenfehlers; und gezieltes und lokales Beheben des Oberflächenfehlers durch Aufbringen einer Korrekturbeschichtung aus einem zweiten Material auf dem Oberflächenfehlerbereich auf Grundlage der Position des Oberflächenfehlers mittels räumlich getrennter Atomlagenabscheidung (SALD) aufweisend einen SALD-Reaktor, während sich das bewegliche Substrat in Längsrichtung bewegt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das zweite Material TiO2, Al2O3, HfO2, SiO2, ZnO, In2O3 oder Kombinationen daraus ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Ermittlungsschritt mittels Infrarotthermographie, Sichtprüfung mit Licht im sichtbaren Bereich, Röntgenfluoreszenz oder Röntgenbeugung durchgeführt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt zum gezielten und lokalen Beheben in atmosphärischer Umgebung durchgeführt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das zweite Material ein reiner Metallwerkstoff ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der reine Metallwerkstoff Ta, Ti, Si, Ge, Ru, Pt oder Kombinationen daraus ist.
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