DE2845131A1 - Coating of heat sensitive foils, esp. perforated foils - esp. via vacuum vapour deposition, and using second consumable foil as heat sink - Google Patents

Abstract

A substrate holder is covered by a flexible foil(I) and then with the substrate foil(II) which is clamped on the holder; and foil(II) is subjected to heat during the coating process, which occurs e.g. in a vacuum vapour deposition chamber. The flexible foil (I) is pref. Cu or Al and 0.01-0.1mm. thick; and spring loaded hooks are pref. employed to clamp foil(II) against foil(I) and the substrate holder. The substrate holder pref. has a convex base on which the two foils are located. In an embodiment, the Cu or Al foil(I) conducts heat away from the substrate foil(II) to the holder. Used in any type of foil coating process, e.g. the formation of layers of the carbides, nitrides or oxides of Ti, Ta, W, where the substrate temp. must be accurately controlled in order to form a coating with desired properties esp. optimum hardness.

Description

" Verfahren zum Beschichten von wärmeempfind- "Process for coating heat-sensitive

lichen Folien als Substrate und Substrathalter für die Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von wärmeempfindlichen Folien als Substrate mittels eines die Substrate aufheizenden Beschichtungsvorganges, insbesondere von durchbrochenen Folien, wobei die Folien auf einem Substrathelter befestint werden. union foils as substrates and substrate holders for implementation of the method The invention relates to a method for coating heat-sensitive Foils as substrates by means of a coating process that heats the substrates, in particular of perforated foils, the foils on a substrate holder be fastened.

Eine ganze Reihe von Beschichtungsverfahren einschließlich Vakuumverfahren haben eine beträchtliche Aufheizung der Substrate zur Folge, der durch eine entsprechende Substratkühlung entgegengewirkt werden muß. Zu den wärmeaktiven Verfahren gehören beispielsweise das Katodenzerstäubungsverfahren und das Ionen :'la+.fierungsverfahren ( Ion Plating); bei denen unmittelbar eine Substraterwärmung durch Ionenbombardement stattfindet.A whole range of coating processes including vacuum processes result in considerable heating of the substrates, which is caused by a corresponding Substrate cooling must be counteracted. Heat-active processes include for example the cathode sputtering process and the ion: la + .fierungsverfahren (Ion plating); in which the substrate is immediately heated by ion bombardment takes place.

Aber auch beim Aufdampfen mittels thermischer Verdampfer oder Elektronenstrahlverdampfer erfolgt eine Wärmebelastung des Substrats mindestens durch Wärmestrahlung.But also with vapor deposition using thermal vaporizers or electron beam vaporizers there is a thermal load on the substrate at least through thermal radiation.

Beim Elektronenstrahlverdampfen wird das Substrat häufig zusätzlich noch durch sogenannte Streuelektronen thermisch belastet.In the case of electron beam evaporation, the substrate is often additionally used still thermally stressed by so-called scattered electrons.

Eine unzulässig hohe Erwärmung hat in den meisten Fällen ein Verziehen bzw. ein Welligwerden der Substrate zur Folge, die in der Regel während der Beschichtunc auf einem gekühlten Substrathalter befestigt sind. Weicht jedoch die Substratgeometrie erst einmal von der Geometrie der Oberfläche des Substrathalters ab, so verändern bzw. verschlechtern sich die trmeUbergangsverhältnisse örtlich in einem Maße, der die Verh-ltnisse noch weiter verschlechtert. Die Endprodukte sind dann nicht mehr brauchbar. Besonders kritisch sind die Verhältnisse bei Folien, insbesondere Metallfolien als Substrate, da in diesen kein nennenswerter seitlicher Wärmentransport möglich ist. Es ist insbesondere keine ausreichende Wärmeabfuhr an Stellen mönlich, an denen das wellig gewordene Substrat noch an dem Substrathalter anliegt.In most cases, excessively high heating results in warping or a waviness of the substrates result, which as a rule during the coating are mounted on a cooled substrate holder. However, the substrate geometry gives way first of all on the geometry of the surface of the substrate holder, so change it or the tower transition conditions worsen locally to an extent that the situation worsened even further. The end products are then no longer useful. The conditions are particularly critical in the case of foils, in particular metal foils as substrates, since there is no significant lateral heat transport is possible. In particular, adequate heat dissipation is not possible in places where the substrate, which has become wavy, is still in contact with the substrate holder.

Nun genügt es er in zahlreichen Fällen nicht das Substrat irgendwie, insbesondere möglichst stark zu kühlen. Vielmehr muß das Substrat auf einem vorgegebenen Temperaturpedel cehalten werden, um die gewünschten Schichteigenschaften einschließlich einer ausreichenden Haftfestigkeit auf dem Substrat zu erzielen. Typische beispiele hierfür sind verschleißfeste Karbid-, Nitrid- oder auch Oxidschichten von Titan, Tantal, Wolfram oder anderen Metallen. Die Schichtelgenschaften, insbesondere die Schichthärte, hängen in hohem Maße von der Substrattemperatur während des oeschichtungsvorganges ab, und es ist schon allein aus diese Grunde wichtig,. reproduzierbar Jeweils die gleichen Beschichtungsbedigungen bei gleichen Temperaturverhältnissen zu haben. Dies setzt einen innigen und reproduzierbaren Wärmekontakt von Substrat und Substrathalter voraus.Now, in numerous cases, the substrate is somehow not enough, especially to cool as much as possible. Rather, the substrate must be on a predetermined basis Temperature pedals can be maintained to include the desired layer properties to achieve sufficient adhesive strength on the substrate. Typical examples wear-resistant carbide, nitride or oxide layers of titanium are used for this, Tantalum, tungsten or other metals. The layer properties, especially the Coating hardness depends to a large extent on the substrate temperature during the coating process and it is important for these reasons alone. reproducible In each case the to have the same coating conditions at the same temperature conditions. This establishes an intimate and reproducible thermal contact between the substrate and the substrate holder in advance.

Bereits bei undurchbrochenen Folien sind reproduzierbare Verhältnisse im Hinblick auf einen konstanten Wärmeüberang aufgrund von näturlichen Folienunebenheiten nicht immer e@@-zuhalten. Bei durchbrochenen Folien sind die Verhältnisse aus den nachtehenden Gründen sogar noch ungünstiger: Beim Beschichten durchbrocher Substrate kondensiert ein Teil des Beschichtungsmaterials auf dem Substrathalter und verändert bzw. profiliert somit dessen Oberfläche. Es entsteht eine Art Abdruck des Substrats in Form eines Reliefs. Als Folge davon ändert sich bei nachfolgenden Beschichtungsprozessen der Kontakt zwischen Substrathalter und Substrat. Eine mechanische oder chemische Reini<'ung der Oberfläche des Substrathalters ist aber nicht immer möglich, entweder, weil dies außerordentlich umstëndlich ist, oder weil die Wiederherstellung einer einwandfreien Oberfläche technisch nicht möglich ist. Dies ist insbesondere bei den weiter oben beschriebenen verschleißfesten Schichten der Fall. Da diese relativ hart sind, lassen sie sich vom Substrathalter nur mit kaum vertretbaren Aufwand entfernen. Die Oberfläche eines gereinigten Substrathalters ist aber nach einer Bearbeitung nicht mehr so beschaffen, daß der Wärmeübergang jeweils der gleiche ist.Even with uninterrupted foils, reproducible conditions are possible with regard to a constant heat transfer due to natural film unevenness do not always hold up e @@ -. In the case of openwork foils, the ratios from the The following reasons are even worse: When coating broken substrates condensed part of the coating material on the substrate holder and thus changes or profiles its surface. A kind of imprint is created of the substrate in the form of a relief. As a result, changes in subsequent Coating processes of the contact between substrate holder and substrate. A mechanical one or chemical cleaning of the surface of the substrate holder is not always possible possible, either because it is extremely cumbersome or because the restoration a flawless surface is not technically possible. This is particular this is the case with the wear-resistant layers described above. This one are relatively hard, they can only be removed from the substrate holder with barely acceptable levels Remove effort. The surface of a cleaned substrate holder is, however, after processing is no longer such that the heat transfer is always the same is.

Es ist zwar bekannt, den Wärmekontakt zwischen Substrathalter und Substrat durch sogenannte Närmekontaktkleber zu verbessern, die zur Erhöhung der Närmeleitfähigkeit metallische Einlagerungen enthalten können. Sowohl das Aufbringen der Substrate als auch insbesondere deren Entfernen vom Substrathalter sind mit außerordentlichen Ruhen und Schwierigkeiten verbunden, so daß diese Maßnahme auf wenige Anwendungsfälle beschränkt bleibt.Although it is known, the thermal contact between the substrate holder and Improve the substrate by so-called Närme contact adhesive, which increases the Narrow conductivity can contain metallic inclusions. Both applying the substrates and, in particular, their removal from the substrate holder are included extraordinary rest and difficulties associated so that this measure on limited use cases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zug runde1 ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung sowie einen Substrathalter für die Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, bei denen reproduzierbare ärmeübergangsverhältnisse zwischen Substrathalter und Foliensubstraten auch innerhalb eines längeren Produktionsabschnitts eingehalten werden können.The object of the invention is to provide a method from the opening paragraph described genus and a substrate holder for performing this method indicate, in which reproducible poor transition ratios between substrate holder and film substrates adhered to even within a longer production phase can be.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß zwischen dem Substrathalter und dem Substrat eine Folie aus gut anschmiegsamem Werkstoff angeordnet und das Substrat gegen den Substrathalter verspannt wird.The task at hand is achieved with the one specified at the beginning Method according to the invention in that between the substrate holder and the substrate a film of well-supple material arranged and the substrate against the Substrate holder is clamped.

Als Werkstoff für die gut anschmiegsame Folie wird bevorzugt Kupfer oder Aluminium verwendet. Diesen haftet in Verbindung mit einer geringen Foliendicke von etwa 0,01 bis 0,iO mm eine ausreichende Duktilität an. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Werkstoffe in ausreichender Reinheit vorliegen; Kupfer kann zusätzlich durch eine Temperaturbehandlung "weichgeglüht" werden.Copper is preferred as the material for the conformable foil or aluminum is used. This adheres in connection with a small film thickness from about 0.01 to 0.1 mm indicates sufficient ductility. This is especially true then the case if the materials are of sufficient purity; Copper can be added are "soft annealed" by a temperature treatment.

Es wurde überraschend gefunden, da, durch eine derartige Folienzwischenlae die rmeübergangsverhältnisse in hohem Maße gleich bzw. reproduzierbar sind, und zwar auch dann, wenn nach jedem Beschichtungsvorgang eines Produkts eine neue Zwischenfolie verwendet wird. De Zwischenfolie kann leicht von einer Vorratsrolle abgezogen und abgeschnitten werden. Bei kontinuierlichen Verfahren ist es möglich, die anschmiegsame Zwischenfolie zusammen mit dem Substrat umzuwickeln und hierbei über einen Substratträger zu führen, der beispielsweise als Kühlwalze ausgeführt sein kann.It has been found, surprisingly, that by means of such a film intermediate layer the transition conditions are largely the same or reproducible, and even if a new intermediate film is used after each coating process of a product is used. The intermediate film can easily be pulled off a supply roll and cut off will. With continuous processes it is possible to wrap the supple intermediate film together with the substrate and thereby To lead over a substrate carrier, which is designed, for example, as a cooling roller can be.

Bei durchbrochenen Folien hat die anschmiegsame Zwischenfolie den Vorteil, daß sie zusammen mit dem durch den Beschichtungsvorgang entstandenen reliefartigen Oberzug im Sinne einer "Wegwerffolie" verworfen werden kann. Die anschmiegsame Zwischenfolie belastet die Endprodukte kostenme'ßig nur wenig; eine Reinigung der festen Oberfläche des Substrathalters ist nicht erforderlich, so daß die Wärme-Übergangszahl in hohem tAaße konstant bleibt Wohl verstanden ist es nicht nur die Aufgabe der anschmiegsamen Folie3 eine gleichbleibende, insbesondere starke Kühlung durch einen gekühlten Substrathalter zu bewirken, sondern auch bzw. alternatv, eine definierte Beheizung auf einen vorgegebenen Temperaturpegel zuzulassen. Die gut anschmiegsame Folie kann infolgedessen auch aus einem temperaturbeständigen wärmeisolierenden Material bestehen.In the case of openwork foils, the supple intermediate foil has the The advantage that they are together with the relief-like created by the coating process Upper pull in the sense of a "disposable film" can be discarded. The supple intermediate film burdens the end products only slightly in terms of cost; a cleaning of the solid surface of the substrate holder is not required, so that the heat transfer coefficient in high tAaße remains constant Well understood, it is not just the task of the cuddly Foil3 a constant, especially strong cooling through a cooled substrate holder to effect, but also or alternatively, a defined heating to a given one Allow temperature level. As a result, the well-conforming film can also consist of a temperature-resistant, heat-insulating material.

Es kommt lediglich darauf an, den Wärmeübergang vom Substrat an den Substrathalter in engen Grenzen konstant zu halten, so daß beispielsweise auch eine gewollte Aufheizung der Substrate auf Temperaturen von 500 °C möglich ist, wenn beispielsweise Hartschichten erzeugt werden sollen. Es ist auch nicht notwendig, einen gekühlten Substrathalter zu verwenden. Für zahlreiche Anwendungsfälle ist es auch möglich, einen Substrathalter mit entsprechender tasse bzw. Wärmeträcheit zu verwenden, dessen Temperaturpegel sich gleichfalls auf einen bestimmten ert einstellt. In jedem Falle erzeugt die anschmiegsame Zwischenfolie einen definierten Wärmeübergang, der weitaus weniger durch Substratunregelmäßigkeiten, insbesondere aber nicht durch reliefartige Veränderungen der Oberfläche des Substrathalters beeinflußt wird, wenn beispielsweise durchbrochene Substrate beschichtet werden.It just depends on the heat transfer from the substrate to the To keep substrate holder constant within narrow limits, so that, for example, also a Deliberate heating of the substrates to temperatures of 500 ° C is possible if for example hard layers are to be generated. It is also not necessary to use a cooled substrate holder. For numerous use cases is it also possible to use a substrate holder with a corresponding cup or use heat transfer, whose temperature level is also on a sets certain values. In any case, the supple intermediate film is created a defined heat transfer, which is much less affected by substrate irregularities, but especially not through relief-like changes in the surface of the substrate holder is influenced when, for example, perforated substrates are coated.

Die Wirksamkeit der anschmiegsamen Folie hängt natürlich auch von dem Anpreßdruck des Substrats gegen die anschmiegsame Folie und gegen den Substrathalter ab. Ein geringer Anpreßdruck, dessen Wert durch Versuche leicht bestimmbar ist, ist jedoch bereits ausreichend, insbesondere dann, wenn auch der Anpreßdruck bei allen Substraten der gleiche ist. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die das Substrat aufnehmende Oberfläche des Substrathalters gewölbt ausgeführt ist und daß die Spannvorrichtung elastische Glieder, beispielsweise Federn, enthält, durch die das Substrat in tangentialer Richtung zur Oberfläche verspannbar und damit an die Oberfläche anpreR-bar ist. Bei einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung kann ein analoger Effekt dadurch erzielt werden, daß das im wesentlichen endlose Substrat mit einem bestimmten Umschlingungswinkel und einer definierten Vorspannung über einen beispielsweise als Kühlwalze ausgeführten Substrat- halter unter Zwischenlage der erfindungsgemäßen anschmiegsamen Folie geführt wird.The effectiveness of the conformable film naturally also depends on the contact pressure of the substrate against the conformable film and against the substrate holder away. A low contact pressure, the value of which can easily be determined through tests, however, it is already sufficient, especially if the contact pressure is also at is the same for all substrates. This can be achieved in a simple manner that the substrate receiving surface of the substrate holder is curved is executed and that the tensioning device has elastic members, such as springs, contains, through which the substrate can be braced in a tangential direction to the surface and can therefore be pressed against the surface. With a continuously working Device, an analogous effect can be achieved in that the substantially endless substrate with a certain wrap angle and a defined one Pre-tensioning via a substrate, for example designed as a cooling roller holder is performed with the interposition of the conformable film according to the invention.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert, die einen Vertikal schnitt durch eine stationäre Beschichtungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Substrathalter zeigt.An embodiment of the subject matter of the invention is shown below explained in more detail with reference to a figure, which cut a vertical through a stationary Coating system with a substrate holder according to the invention shows.

In der Figur ist eine Basisplatte 1 dargestellt, auf die unter Zwischenschaltung einer Dichtung 2 ein Rezipient 3 aufgesetzt ist, der zusammen mit der Basisplatte eine Vakuumkammer 4 bildet. Auf der Basisplatte 1 befindet sich ein Verdampfer 5 herkömmlicher Bauart, der beispielswese als thermischer Verdampfer oder als Elektronenstrahlverdampfer ausgeführt sein kann In einer Ausnehmung 6 befindet sich Beschichtungsmaterial 7, welches durch Beheizung des Verdampfers 5 in dem Dampfzustand versetzt wird und sich in Form einer sogenannten DampfReule 8 ausbreitet.In the figure, a base plate 1 is shown, with the interposition a seal 2, a recipient 3 is placed, which together with the base plate a vacuum chamber 4 forms. An evaporator 5 is located on the base plate 1 conventional design, for example as a thermal evaporator or as an electron beam evaporator In a recess 6 there is coating material 7, which is placed in the vapor state by heating the evaporator 5 and spreads in the form of a so-called steam column 8.

Oberhalb des Verdampfers 5 und innerhalb der Dampfkeule 8 befindet sich ein Substrathalter 9, der als massiver Metallkörper ausgeführt und mit KUhlkanälen 10 versehen ist.Located above the evaporator 5 and within the steam lobe 8 a substrate holder 9, which is designed as a solid metal body and with cooling channels 10 is provided.

Eine nach unten weisende Oberfläche 11 des Substrathalters 9 ist konvex ausgeführt, beispielsweise in Form einer Zylinderfläche. Auf dieser befindet sich eine gut anschmlegsame Folie 12 (Zwischenfolie) der erfindungseäßen Art und auf dieser wiederum ein Substrat 13 mit Durchbrechungen 14. Beim Aufdampfvorgang dampft das Beschichtungsmaterial 7 durch diese Durchbrechungen 14 hindurch und kondensiert unter Bildung einer reliefartigen Oberfläche entsprechend dem Muster der Durchbrechungen 14 auf der Folie 12, die nach dem Abnehmen des Substrats 13 entnommen und verworfen werden kann. Vor dem Aufbringen eines neuen Substrats 13 wird dann einfach auch eine neue Folie 12 auf den Substrathal ter 9 aufgelegt.A downwardly facing surface 11 of the substrate holder 9 is convex executed, for example in the form of a cylinder surface. On this is a well-conforming film 12 (intermediate film) of the type according to the invention and on this in turn a substrate 13 with openings 14. When Evaporation process the coating material 7 evaporates through these openings 14 and condenses with the formation of a relief-like surface corresponding to the pattern of the perforations 14 on the film 12, which is removed and discarded after the substrate 13 has been removed can be. Before applying a new substrate 13 is then also easy a new film 12 is placed on the substrate holder 9.

Zur Erzeugung einer Verspannung zwischen dem Substrat 13 und dem Substrathalter 9 ist diesem eine Seannvorrichtuno 15 zugeordnet, die elastische Glieder 16 in Form von Zugfedern enthält. Diese greifen einerseits in Usen 17 am Substrathalter 9 und andererseits in Haken 18 en, die in Durchbrechungen 14 des Substrats 13 in der dargestellten Gleise einhängbar sind. Durch die Anordnung der Usen 17 und der Haken 18 bzw. durch die dadurch bedingte Zugrichtung der elastischen Glieder 16 wird eine im wesentlichen tangentiale Zugspannung auf das Substrat 13 ausgeübt, die eine entsprechende radiale Anpressung an die Oberfläche 11 bewirkt.To generate tension between the substrate 13 and the substrate holder 9 is assigned to this a Seannvorrichtuno 15, the elastic members 16 in the form of tension springs contains. These grip on the one hand in Usen 17 on the substrate holder 9 and on the other hand in hooks 18 en, which are in openings 14 of the substrate 13 shown in FIG Tracks can be suspended. By the arrangement of the Usen 17 and the hook 18 and by the resulting pulling direction of the elastic members 16 becomes essentially one tangential tensile stress exerted on the substrate 13, which has a corresponding radial Pressing against the surface 11 causes.

Ein Abschattungseffekt durch die Haken 18 wird dadurch bedeutungslos, daß die Eingriffsstellen der Haken an für den Verwendungszweck der Substrate unschädliche Stellen gelegt werden. Außerdem sind ohne weiteres Spannvorrichtungen denkbar, die bei einem entsprechend dimensionierten Substrat an Stellen angebracht werden können, die außerhalb des Dampfstromes liegen.A shadowing effect by the hooks 18 is therefore meaningless, that the points of engagement of the hooks are harmless for the intended use of the substrates Places are placed. In addition, clamping devices are easily conceivable that with an appropriately dimensioned substrate can be attached in places, which are outside of the steam flow.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (4)

A N S P R O C H E: X Verfahren zum Beschichten von warmeempfindlichen Folien als Substrate mittels eines die Substrate aufheizenden Beschichtungsvorganges, insbesondere von durchbrochenen Folien, wobei die Folien auf einem Substrathalter angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrathalter und dem Substrat eine gut anschmiegsame Folie angeordnet und das Substrat neigen den Substrathalter verspannt wird. A N S P R O C H E: X Process for coating heat-sensitive Foils as substrates by means of a coating process that heats the substrates, in particular of perforated foils, the foils on a substrate holder are arranged, characterized in that between the substrate holder and the Substrate a well-conforming film arranged and the substrate incline the substrate holder is braced. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daR als nut anschmiegsame Folie eine Kupfer- oder Aluminiumfolie mit einer Dicke von 0,01 bis 0,10 mm verwendet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that daR as a groove conformable foil a copper or aluminum foil with a thickness of 0.01 to 0.10 mm is used. 3. Substrathalter für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen ihm und dem Substrat (13) eine Folie (12) aus duktilem Werkstoff angeordnet ist, und daß dem Substrathalter (9) eine Spannvorrichtung (15) für das Anpressen des Substrats an den Substrathalter zugeordnet ist. 3. substrate holder for performing the method according to claim 1, characterized in that a film (12) between it and the substrate (13) is arranged from ductile material, and that the substrate holder (9) has a clamping device (15) is assigned for pressing the substrate onto the substrate holder. 4. Substrathalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dessen das Substrat (13) aufnehmende Oberflache (11) konvex gewölbt ist und daß die Spannvorrichtung (15) elastische Glieder (16) enthält, durch die das Substrat (13) in tangentialer Richtung zur Oberfläche verspannbar und damit an die Oberfläche anpreßbar ist. 4. substrate holder according to claim 3, characterized in that that whose surface (11) receiving the substrate (13) is convex and that the jig (15) includes elastic members (16) through which the substrate (13) can be braced in a tangential direction to the surface and thus to the surface is compressible.