WO2013190141A1 - Verfahren und vorrichtung zur vorbehandlung eines beschichteten oder unbeschichteten substrats - Google Patents

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sputtering
gas
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vacuum treatment
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PCT/EP2013/063112
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Markus Berendt
Manfred Schreil
Volker Linss
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Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for the pretreatment of a coated or uncoated substrate. It further relates to a method for coating a substrate with a functional layer or a layer system and a vacuum treatment system.
  • Layer system can be influenced by various factors emanating from the substrate. In addition, other influences, such as imprints of the handling of the cause
  • Substrate serving nipples which are often not detectable by visual controls and can not be eliminated by conventional cleaning, unwanted changes in the
  • optically effective layer systems affect incident light in different ways and usually Depending on the wavelength, they reflect, absorb and / or transmit at different wavelengths at different wavelengths. Depending on the field of application, these layer systems can therefore be transparent, partially transparent or non-transparent for specific wavelengths.
  • the functional layer usually referred to in such a layer system is that layer or layers which directly serves the actual function of the layer system. For pretreatment, various methods have hitherto been considered. In addition to a conventional cleaning in washing and polishing lines, these are mainly different
  • glow discharges under vacuum are used which can be carried out in situ and cause an oxidation of impurities and the desorption of water on the surface of the substrate in the plasma.
  • oxygenated plasma organic contaminants, eg. For example, remove fingerprints from the glass surface as they become too volatile
  • Another pretreatment method uses a linear ion source. This is not for the pretreatment of
  • pretreatment can also be carried out with the aid of a sputtering apparatus in which the substrate is used as a sputtering cathode.
  • a sputtering apparatus in which the substrate is used as a sputtering cathode.
  • the power density is low and, after a long period of operation, the formation of flakes, i. H. interfering particles, possible.
  • Object of the present invention is therefore, a
  • Substrate materials is suitable.
  • the above-mentioned disadvantages should be at least partially avoided.
  • Claim 8 relates to a method for coating a substrate with a functional layer or a layer system using a pretreatment according to the invention.
  • a method for pretreatment of a substrate is specified by the substrate is subjected to a reactive sputtering process wherein a plasma is generated from a carbonaceous target in an oxygen-containing sputtering atmosphere.
  • pretreatment includes both cleaning processes and the deposition of an adhesion-promoting and / or diffusion-barrier layer, through which the adhesion
  • barrier layer may also be protection against mechanical stress.
  • the primer layer sometimes becomes very thin, i. H. deposited with layer thicknesses below 5 nm, preferably below 1 nm and more preferably below 0.3 nm, and has optically little to no absorption.
  • This layer does not necessarily have to form a closed layer and can therefore also be regarded as a so-called seed layer.
  • Purification of the substrate surface is used before in a next step, one or more coatings applied to the substrate or other processing, which requires cleaning, are performed.
  • the cleaning serves in particular the adhesion improvement for subsequent layers.
  • the term purification does not exclude that it is modified by the inventive method to modify and activate the substrate surface, for. B. by changing the layer composition or layer morphology comes. In this respect, the cleaning possibly leads to an influence on the optical
  • Substrate surface is understood to mean either the direct surface of the substrate material, for example glass, or the surface of the substrate already changed in a preceding coating process, for example by applying a dielectric coating.
  • pretreatment includes both processes for preparing the substrate prior to a first
  • Layer deposition and pretreatment in one step or at leastinhalt a process chamber is performed.
  • the substrate surface is exposed to a plasma which is formed by reactive sputtering from a carbon-containing target in an oxygen-containing atmosphere.
  • Oxygen-containing atmosphere here means that oxygen as a reactive gas to the working gas, eg. As argon, is added.
  • the carbonaceous target contains as essential
  • Sputtering properties are useful, may be included.
  • Such impurities or technological admixtures are usually in the range of less than 1 At .-%, but can also be a few atomic percent, the latter
  • the target used can also be 100% carbon.
  • the carbon of the carbonaceous target may have all modifications, ie
  • Sputtering process DC or AC voltage, single or bipolar pulsed, or combined sputtering can be used.
  • Dual magnetrons such as rotating or planar
  • Carbon of the target with oxygen from the reactive gas This leads to a particularly intense plasma effect on the substrate.
  • carbon and oxygen also react directly with impurities on the substrate surface.
  • the resulting reaction products are volatile and do not deposit on the substrate, but become with the
  • an adhesion-promoting layer can also be produced in a targeted manner by the pretreatment according to the invention.
  • Plant configurations eg B. sputter-up and sputter-down systems are used.
  • the inventive method is particularly in
  • Belt systems or in-line coaters can be used for substrates of every kind and condition, u. a. Also for cleaning discs in jumbo format.
  • previously conventional washing and polishing lines can be made simpler in front of the coating system, under certain conditions, the polishing step can be dispensed with entirely.
  • the polishing step can be dispensed with entirely.
  • the magnetic field can be strengthened on one side, so that the field lines extend further into the room.
  • the sputtering process can also be carried out as a diode discharge, ie glowing. This is associated with a higher voltage, a higher pressure and a smaller distance between the target and the substrate, which may be advantageous depending on the substrate, the process parameters of adjacent processes and the desired result of the pretreatment.
  • the sputtering atmosphere in addition to the working gas and
  • Oxygen at least one other gas eg. Xenon
  • Krypton, radon, hydrogen is supplied, wherein xenon, krypton and radon are also useful as working gas.
  • the selection of the at least one further gas is made on the basis of the substrate properties, other process parameters and desired pretreatment result, the deposition of an optically active layer being avoided.
  • nitrogen is not used, as this leads to the formation of nitrides.
  • the carbon-containing target can specifically admixtures of other elements, for example metals such as aluminum or
  • Semi-metals such as silicon, whose concentration is in the ppm range. These may be present both in pure form as well as a component of compounds and / or alloys and serve u. a. the control of the pretreatment by influencing the sputtering process. In addition, the necessary for the process burning voltage is reduced.
  • a very thin dielectric layer with a thickness of less than 1 nm to the substrate, which in particular as a non-closed layer, ie in the form of a so-called seed layer, is applied and
  • It preferably serves as a primer layer and is primarily using a carbon-containing target with a targeted
  • a pretreatment with such a target under deposition of a Seedlayers does not exclude a cleaning. Rather, it can be assumed that the layer deposition runs parallel to the cleaning.
  • Process is pretreated.
  • the pretreatment according to the invention can be used in all
  • Coating process can be integrated, since all process steps can be carried out in a similar pressure range.
  • the inventive method for partial or complete oxidation of metals or semiconductors can be used, which are previously deposited by means of another magnetron as a thin metal or semiconductor layer on the substrate.
  • the subsequent treatment according to the pretreatment process according to the invention results in oxidation and / or carbonation processes, wherein the top very thin layers of the existing layers as oxide and / or carbide layers are modified to a thickness of ⁇ 1 nm.
  • These partial layers do not change the optical behavior of the starting layers and are preferably produced in non-closed form, ie as a so-called seed layer.
  • the seed layer is using a
  • a vacuum treatment plant for device-side solution of the task comprises a vacuum chamber in which a
  • Sputtering cathode with a carbon-containing target and a holding device for a substrate are arranged, wherein the substrate of the sputtering cathode opposite. Furthermore, a gas supply system for the supply of labor and
  • Reactive gas present which has a gas inlet for
  • This system configuration is for the implementation of the
  • uncoated substrate can be achieved.
  • Vacuum treatment plant a DC power supply device, so that the method of pretreatment can be performed as a diode discharge.
  • At least one anode is particularly advantageously present in the vacuum chamber, which may for example have an L-shape.
  • the at least one anode causes a
  • two anodes in the space between the sputtering cathode and the substrate are arranged laterally next to the sputtering cathode such that they act as diaphragms and can narrow the sputtering area.
  • Sputtering cathode formed as part of a dual magnetron, which is operated at medium frequency voltage.
  • Dual magnetron can be both planar and rotating.
  • the use of dual magnetrons is used for efficient treatment and system utilization and also allows for the inventive method combinations of the above-mentioned process variants in a compartment of the plant.
  • medium-frequency voltage enables a wide selection of targets, since lower demands are placed on the target materials and their conductivity.
  • deposits on the target surface e.g. As in the form of oxides, reduced, which otherwise lead to a reduction in the conductivity.
  • FIG. 1 cross section of an inventive
  • the drawings generally show the schematic structure of a vacuum treatment plant 1 for carrying out the method according to the invention for the pretreatment.
  • the illustration is limited to a better overview because of only one coating compartment and shows only the most important components thereof.
  • a claim to representation of all components of the plant and real size relationships does not exist.
  • Continuous vacuum treatment plant which accordingly has a substrate transport device 7, with the aid of the substrate 6 through a passage 5 in the
  • Vacuum chamber 4 is placed in the vacuum space 3.
  • the substrate transport device 7 is in
  • Substrate transport 8 arranged transport rollers, some of which are designed as driven transport rollers. Alternatively, the pretreatment of the substrate 6 would also be in a discontinuous manner
  • Vacuum treatment plant 1 possible.
  • the vacuum treatment plant 1 is a planar Magnetron 9 as a sputtering cathode, which comprises a planar target 10, equipped, wherein the target 10 as
  • the substrate is arranged opposite the magnetron 9.
  • the target-substrate distance is 120 mm.
  • a sputter-down system is used in which the substrate 6 is located below the target 10.
  • Plant configuration eg As a sputter-up system can be used.
  • a gas supply system 14 the process gas (working ⁇ and reactive gas) introduced into the vacuum chamber 2, whereby at least oxygen is used as the reactive gas. Furthermore, in the vacuum space 3, two L-shaped anodes 13 laterally from
  • Magnetron 9 arranged. They serve as diaphragms for
  • Vacuum treatment plant 1 To power the
  • Magnetron 9 is a DC power supply 12th
  • a plasma is ignited.
  • the sputtering process is in the embodiment at a
  • the second embodiment differs from the first embodiment due to the use of a magnetron 9 having two rotating cylindrical targets 10 in place of the planar targets 10 and inside each target 10 a magnet system 11.
  • the magnetrons 9 according to FIG. 2 are connected to an AC power supply 12, which in the
  • Process voltage and substrate transport speed are adapted to the changed configuration.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung eines beschichteten oder unbeschichteten Substrats 6, indem das Substrat 6 einem reaktiven Sputterprozess unterzogen wird. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats 6 mit einer Funktionsschicht oder einem Schichtsystem sowie eine Vakuumbehandlungsanlage 1 mit einer Vakuumkammer 2, in der eine Sputterkathode und eine Haltevorrichtung für ein der Sputterkathode gegenüberliegend angeordnetes Substrat 6 angeordnet sind, und einem Gaszufuhrsystem 14 für eine Zufuhr von Arbeitsgas und Reaktivgas zur Vakuumkammer 2. Um ein Verfahren zur Vorbehandlung eines Substrats 6 langzeitstabil zu betreiben, welches für alle Substratmaterialien geeignet ist und zudem keine optisch wirksame Schicht auf dem Substrat 6 hinterlässt, wird das Substrat einem Plasma ausgesetzt, welches mittels einer Sputterkathode mit einem kohlenstoffhaltigen Target 10 in einer sauerstoffhaltigen Sputteratmosphäre erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Vakuumbehandlungsanlage umfasst ein Gaszufuhrsystem 14 mit einem Gaseinlass für Sauerstoff als Reaktivgas und eine Sputterkathode mit einem kohlenstoffhaltigen Target 10.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vorbehandlung eines beschichteten oder unbeschichteten Substrats
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung eines beschichteten oder unbeschichteten Substrats. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einer Funktionsschicht oder einem SchichtSystem sowie eine Vakuumbehandlungsanlage.
Es ist bekannt, dass eine Schicht oder ein ganzes
SchichtSystem durch verschiedene vom Substrat ausgehende Faktoren beeinflusst werden. Darüber hinaus verursachen andere Einflüsse, wie Abdrücke der der Handhabung des
Substrats dienenden Sauger, die durch visuelle Kontrollen oftmals nicht feststellbar und durch übliche Reinigung nicht zu beseitigen sind, unerwünschte Änderungen der
Eigenschaften des SchichtSystems .
Daher ist eine Vorbehandlung der zu beschichtenden
Substraten für ein optimales Schichtwachstum sowie die
Sicherstellung von bestimmten Eigenschaften zumeist
unerlässlich . Dies trifft sowohl für Glassubstrate, z. B. aus der Architekturverglasung, zu als auch für andere band- oder plattenförmige oder auch kleinstückige Substrate aus unterschiedlichen Materialien. Sie werden meist aufwändig vorbehandelt, um sie für nachfolgende Prozessschritte brauchbar zu machen. Für die verschiedensten Anwendungen sind unterschiedliche funktionale SchichtSysteme bekannt. Beispielsweise
beeinflussen optisch wirksame SchichtSysteme einfallendes Licht auf unterschiedliche Weise und meist wellenlängenabhängig, indem sie dieses bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark reflektieren, absorbieren und/oder transmittieren . Diese SchichtSysteme können folglich je nach Einsatzgebiet für bestimmte Wellenlängen transparent, teiltransparent oder nicht transparent sein. Als Funktionsschicht wird in einem solchen SchichtSystem üblicherweise jene Schicht oder Schichten bezeichnet, die unmittelbar der eigentlichen Funktion des SchichtSystems dient . Zur Vorbehandlung kommen bisher verschiedene Methoden in Betracht. Neben einer konventionellen Reinigung in Wasch- und Polierstraßen sind dies vor allem verschiedenste
Plasmabehandlungen oder auch die Abscheidung einer dünnen Schicht, die über der Fläche nicht geschlossen sein muss und als Seedlayer bezeichnet wird.
Zur Vorbehandlung werden beispielsweise Glimmentladungen unter Vakuum genutzt, die in situ ausführbar sind und eine Oxidation von Verunreinigungen sowie die Desorption von Wasser auf der Oberfläche des Substrats im Plasma bewirken. Besonders gut lassen sich mit sauerstoffhaltigen Plasmen organische Verunreinigungen, z. B. Fingerabdrücke von der Glasoberfläche entfernen, da diese zu volatilen
Kohlenwasserstoffen und Wasser oxidieren. Dazu wird meist in einer verdünnten Gasatmosphäre, welche Ar, 02, N2, CDA
(Compressed Dry Air) oder deren beliebige Mischungen enthalten kann, bei einem Druck von 2 - 5 * 1CT2 mbar eine Gleichstrom- (DC-) oder Mittelfrequenz- (MF-) Glimmentladung gezündet, welcher die später zu beschichtende Seite des Substrats ausgesetzt wird. Nachteilig bei der Verwendung von Glimmentladungen sind jedoch die starke Substraterwärmung, die Notwendigkeit von sicherheitstechnisch anspruchsvollen, hohen Spannungen sowie die Tatsache, dass auf dem Substrat eine Schicht erzeugt wird, wodurch diese Methode für transparente Substrate und SchichtSysteme nur bedingt geeignet ist. Außerdem ist anlagentechnisch eine Druckstufe zu realisieren, da die Glimmentladung im Druckbereich von 1CT2 mbar abläuft, die nachfolgenden Sputterprozesse jedoch einen Bereich von 1CT3 mbar erfordern.
Eine weitere Vorbehandlungsmethode nutzt eine lineare Ionenquelle. Diese ist nicht zur Vorbehandlung von
dielektrischen Materialien wie Glas oder Kunststoff geeignet. Zudem werden nur geringe Ätzraten erzielt. Neben den genannten Methoden kann eine Vorbehandlung auch mit Hilfe eines Sputterät zers erfolgen, bei welchem das Substrat als Sputterkathode verwendet wird. Jedoch ist auch dieser ausschließlich für leitfähige Substrate und für magnetische Bandmaterialien nur eingeschränkt einsetzbar. Weiterhin ist die Leistungsdichte gering und nach langer Betriebsdauer ist die Bildung von Flitter, d. h. sich störend auswirkender Partikel, möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Verfahren zur Vorbehandlung eines Substrats anzugeben, welches langzeitstabil betreibbar und für alle
Substratmaterialien geeignet ist. Zudem sollen die oben genannten Nachteile zumindest teilweise vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Anspruch 8 betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einer Funktionsschicht oder einem SchichtSystem unter Nutzung einer erfindungsgemäßen Vorbehandlung. Die
jeweiligen Unteransprüche umfassen bevorzugte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren zur Vorbehandlung eines Substrats angegeben, indem das Substrat einem reaktiven Sputterprozess unterzogen wird, wobei ein Plasma von einem kohlenstoffhaltigen Target in einer sauerstoffhaltigen Sputteratmosphäre erzeugt wird.
Der Begriff Vorbehandlung umfasst sowohl Reinigungsprozesse als auch die Abscheidung einer Haftvermittlungs- und/oder Diffusionsbarriereschicht, durch die die Haftung
nachfolgender Schichten auf dem Substrat verbessert und Qualitätsprobleme vermindert werden, die auf Undefinierte Ausgangszustände beim Substrat, z. B. aufgrund einer schwankenden chemischen Zusammensetzung, zurückzuführen sind. Eine weitere Funktion der Barriereschicht kann auch der Schutz gegen mechanische Beanspruchung sein.
Die Haftvermittlungsschicht wird mitunter sehr dünn, d. h. mit Schichtdicken unter 5 nm, bevorzugt unter 1 nm und weiter bevorzugt unter 0,3 nm abgeschieden, und wirkt optisch wenig bis nicht absorbierend. Diese Schicht muss nicht zwingend eine geschlossene Schicht bilden und kann daher auch als sogenannter Seedlayer aufgefasst werden.
Unter Reinigung ist ein Prozess zu verstehen, der der
Säuberung der Substratoberfläche dient, bevor in einem nächsten Schritt eine oder mehrere Beschichtungen auf das Substrat aufgebracht oder eine andere Weiterverarbeitung, welche eine Reinigung benötigt, durchgeführt werden. Die Reinigung dient dabei insbesondere der Haftungsverbesserung für nachfolgende Schichten. Der Begriff Reinigung schließt nicht aus, dass es durch das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Modifizierung und Aktivierung der Substratoberfläche, z. B. durch Veränderung der Schicht Zusammensetzung oder Schichtmorphologie, kommt. Insofern führt die Reinigung möglicherweise zu einer Beeinflussung der optischen
Eigenschaften eines über der gereinigten Oberfläche
abgeschiedenen SchichtSystems . Da mit der Reinigung trotz der Verwendung eines Sputterprozesses mit einer anderen Sputterkathode als das Substrat selbst keine Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird, erfolgt lediglich die oben angeführte indirekte, jedoch keine direkte Beeinflussung über eine optisch wirksame ergänzende Schicht.
Unter Substratoberfläche ist entweder die direkte Oberfläche des Substratmaterials, beispielsweise Glas, oder die bereits in einem vorangegangenen Beschichtungsprozess veränderte Oberfläche des Substrats, beispielsweise durch Aufbringen einer dielektrischen Beschichtung, zu verstehen.
Dementsprechend umfasst der Begriff Vorbehandlung sowohl Prozesse zur Vorbereitung des Substrats vor einem ersten
Beschichtungsschritt als auch eine Vorbehandlung vor jeder weiteren Beschichtung während des Aufbringens eines
SchichtSystems . Es besteht auch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorbehandlung mit
vorangehenden Prozessen, beispielsweise der Abscheidung einer Metalloxidschicht, zu kombinieren, indem die
Schichtabscheidung und Vorbehandlung in einem Schritt oder zumindest innerhalt einer Prozesskammer durchgeführt wird.
Zur Vorbehandlung wird die Substratoberfläche einem Plasma ausgesetzt, welches durch reaktives Sputtern von einem kohlenstoffhaltigen Target in sauerstoffhaltiger Atmosphäre entsteht. Sauerstoffhaltige Atmosphäre bedeutet hierbei, dass Sauerstoff als Reaktivgas dem Arbeitsgas, z. B. Argon, zugemischt wird. Das kohlenstoffhaltige Target enthält als wesentlichen
Bestandteil Kohlenstoff. Dies bedeutet, dass technologisch bedingte Verunreinigungen oder gezielt eingebrachte
technologisch bedingte Beimengungen, die z. B. der
Targetherstellung oder der Verbesserung der
Sputtereigenschaften dienlich sind, enthalten sein können. Derartige Verunreinigungen oder technologische Beimengungen liegen meist im Bereich von kleiner 1 At.-%, können aber auch einige wenige Atomprozent betragen, letzteres
insbesondere bei gezielten Beimengungen. Selbstverständlich kann das genutzte Target auch zu 100 % aus Kohlenstoff bestehen. Der Kohlenstoff des kohlenstoffhaltigen Targets kann sämtliche Modifikationen aufweisen, d. h.
beispielsweise in Form von Graphit oder Glaskohlenstoff vorliegen.
Für die Targetausführung kommen sämtliche nach dem Stand der Technik bekannte Varianten in Frage. Es können sowohl planare als auch nicht-planare, z. B. rohrförmige, Targets eingesetzt werden. Des Weiteren können für den
Sputterprozess Gleich- oder Wechselspannung, uni- oder bipolar gepulst, oder auch kombinierte Sputterverfahren genutzt werden. Z. B. ist der Einsatz von gepulstem
Hochenergiesputtern möglich. Bei der Verwendung von
Dualmagnetrons, wie rotierenden oder planaren
Dualmagnetrons, ist auch der DC/DC-Betrieb möglich.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt es zur Bildung von Kohlenstoffdioxid durch Reaktion von
Kohlenstoff des Targets mit Sauerstoff aus dem Reaktivgas. Dies führt zu einer besonders intensiven Plasmawirkung am Substrat. Außerdem reagieren Kohlen- und Sauerstoff auch direkt mit Verunreinigungen auf der Substratoberfläche.
Besonders effektiv können auf diese Weise Wasserfilme und organische Verunreinigungen entfernt werden.
Die entstehenden Reaktionsprodukte sind volatil und lagern sich nicht auf dem Substrat ab, sondern werden mit dem
Arbeitsgas abgesaugt. Entsprechend entsteht durch die
Reinigung keine Schicht auf der Substratoberfläche, die insbesondere bei transparenten Substraten und
SchichtSystemen nachteilig wäre. Bei einer entsprechenden, unten näher dargelegten, Prozessführung kann durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung jedoch auch gezielt eine Haftvermittlungsschicht erzeugt werden.
Da keine festen Reaktionsprodukte entstehen, ist von einem wartungs- und störungsfreien langzeitstabilen Betrieb bis zum Ende der Targetlebensdauer auszugehen. Durch den Einsatz von Standardsputterquellen ist der Prozess zudem beliebig breitenskalierbar und mit hoher Leistungsdichte betreibbar. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, das
Vorbehandlungsverfahren bei einem üblichen Sputterdruck im Bereich von 1CT3 mbar zu betreiben, so dass keine Druckstufe erforderlich ist und die Integration des Verfahrens in die Abscheidung eines SchichtSystems einfach möglich ist. Für die Durchführung des Verfahrens können verschiedene
Anlagenkonfigurationen, z. B. Sputter-Up- und Sputter-Down- Anlagen genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere in
Bandanlagen oder Inline-Coatern für Substrate jeder Art und Beschaffenheit einsetzbar, u. a. auch für die Reinigung von Scheiben im Jumbo-Format . Somit können bisher übliche Wasch- und Polierstraßen vor der Beschichtungsanlage einfacher gestaltet werden, wobei unter bestimmten Bedingungen auf den Polierschritt gänzlich verzichtet werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der
Sputterprozess magnetfeldgestützt mittels Magnetron
betrieben, wobei entweder balancierte oder unbalancierte Magnetfelder Verwendung finden. Mit Hilfe von unbalancierten Magnetfeldern kann das Magnetfeld einseitig gestärkt werden, so dass die Feldlinien weiter in den Raum hineinreichen. In Abhängigkeit vom Substrat und den gewählten
Prozessparametern besteht dadurch die Möglichkeit, die
Vorbehandlung so zu steuern, dass letztendlich die
gewünschten Anforderungen an die Substrateigenschaften nach der Vorbehandlung, z. B. in Hinblick auf die Haftung
nachfolgender Schichten, erfüllt werden.
Weiterhin kann der Sputterprozess auch als Diodenentladung, d. h. Glimmen, durchgeführt werden. Dies ist verbunden mit einer höheren Spannung, einem höheren Druck sowie einem geringeren Abstand zwischen Target und Substrat, was in Abhängigkeit vom Substrat, den Prozessparametern auch benachbarter Prozesse und dem gewünschten Ergebnis der Vorbehandlung vorteilhaft sein kann.
Gemäß eine bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Sputteratmosphäre neben dem Arbeitsgas und
Sauerstoff mindestens ein weiteres Gas, z. B. Xenon,
Krypton, Radon, Wasserstoff, zugeführt wird, wobei Xenon, Krypton und Radon auch als Arbeitsgas verwendbar sind.
Dieses kann den Vorbehandlungsprozess unterstützen und so besonders vorteilhafte Eigenschaften der Substratoberfläche hervorbringen. Denkbar sind beispielsweise bei der
Verwendung von Xenon zusätzliche Vorbehandlungseffekte durch entstehende UV-Strahlung.
Die Auswahl des mindestens einen weiteren Gases wird anhand der Substrateigenschaften, sonstigen Prozessparameter und gewünschten Vorbehandlungsergebnis getroffen, wobei die Abscheidung einer optisch wirksamen Schicht vermieden wird. Daher findet beispielsweise Stickstoff keine Anwendung, da dies zur Bildung von Nitriden führe.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante kann das kohlenstoffhaltige Target gezielt Beimengungen anderer Elemente, beispielsweise Metalle wie Aluminium oder
Halbmetallen wie Silizium enthalten, deren Konzentration im ppm-Bereich liegt. Diese können sowohl in Reinform als auch als Bestandteil von Verbindungen und/oder Legierungen vorliegen und dienen u. a. der Steuerung der Vorbehandlung durch Beeinflussung des Sputterprozesses . Zudem verringert sich die für den Prozess notwendige Brennspannung.
Gemäß einer Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, eine sehr dünne dielektrische Schicht mit einer Dicke von kleiner als 1 nm auf das Substrat aufzubringen, welche insbesondere als nicht geschlossene Schicht, d. h. in Form eines sogenannten Seedlayers, aufgebracht wird und
jedenfalls optisch unwirksam ist. Sie dient bevorzugt als Haftvermittlungsschicht und wird vorrangig unter Nutzung eines kohlenstoffhaltigen Targets mit einer gezielten
Beimengung anderer Elemente, insbesondere Silizium,
gegebenenfalls in Kombination mit der Zufuhr eines weiteren Gases wie Wasserstoff, erzeugt. Eine Vorbehandlung mit einem solchen Target unter Abscheidung eines Seedlayers schließt eine Reinigung nicht aus. Vielmehr ist davon auszugehen, dass die Schichtabscheidung parallel zur Reinigung verläuft.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Beschichtung eines
Substrats mit einer Funktionsschicht oder einem
SchichtSystem angegeben, wobei das Substrat vor oder nach einer Beschichtung nach einem der zuvor beschriebenen
Verfahren vorbehandelt wird.
Die erfindungsgemäße Vorbehandlung kann in alle
Beschichtungsverfahren integriert werden, sie ist also nicht auf bestimmte Funktionsschichten oder SchichtSysteme
beschränkt. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung in
Kombination mit transparenten Substraten und transparenten SchichtSystemen, da bei der Vorbehandlung erfindungsgemäß keine Schichten abgeschieden werden, welche die optischen Eigenschaften beeinflussen. Zudem ist der
Vorbehandlungsprozess sehr gut in das gesamte
Beschichtungsverfahren integrierbar, da alle Prozessschritte in einem ähnlichen Druckbereich durchgeführt werden können.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren zur teilweisen oder vollständigen Oxidation von Metallen oder Halbleitern genutzt werden, die zuvor mittels eines weiteren Magnetrons als dünne Metall- oder Halbleiterschicht auf dem Substrat abgeschieden werden. Durch die nachfolgende Behandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Vorbehandlungsverfahren kommt es zu Oxidations- und/oder Carbonisierungsprozessen, wobei die obersten sehr dünnen Lagen der vorhandenen Schichten als Oxid- und/oder Carbidschichten mit einer Dicke von < 1 nm modifiziert werden. Diese Teilschichten ändern das optische Verhalten der Ausgangsschichten nicht feststellbar und entstehen vorzugsweise in nicht-geschlossener Form, d. h. als sogenannter Seedlayer.
Bevorzugt wird der Seedlayer unter Nutzung eines
kohlenstoffhaltigen Targets, welches Beimengungen eines oder mehrerer weiterer Elemente aufweist, insbesondere Silizium, erzeugt, wobei der resultierende Seedlayer im Wesentlichen aus der Beimengung entsteht.
Zudem kann bei der Erzeugung eines Seedlayers ein weiteres Gas, z. B. Wasserstoff, dem Prozessgas zugesetzt werden. Der Seedlayer entsteht entsprechend durch Reaktion des
Targetmaterials und/oder des Material der vorhandenen
Schichten mit dem Prozessgas.
Eine Vakuumbehandlungsanlage zur vorrichtungsseitigen Lösung der Aufgabe umfasst eine Vakuumkammer, in der eine
Sputterkathode mit einem kohlenstoffhaltigen Target und eine Haltevorrichtung für ein Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat der Sputterkathode gegenüberliegt. Weiterhin ist ein Gaszufuhrsystem für die Zufuhr von Arbeits- und
Reaktivgas vorhanden, welches einen Gaseinlass für
Sauerstoff als Reaktivgas umfasst. Diese Anlagenkonfiguration ist zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, mit dem eine
vorteilhafte Vorbehandlung eines beschichteten oder
unbeschichteten Substrats erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die
Sputterkathode Teil eines Magnetrons, welches ein
unbalanciertes Magnetfeld ausbildet. Dadurch besteht die Möglichkeit der Steuerung des Magnetfelds, so dass dieses vorteilhaft für die erfindungsgemäße Vorbehandlung genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante umfasst die
Vakuumbehandlungsanlage eine DC-Stromversorgungseinrichtung, so dass das Verfahren zur Vorbehandlung als Diodenentladung durchgeführt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist dazu mindestens eine Anode in der Vakuumkammer vorhanden, die beispielsweise eine L-Form aufweisen kann. Die mindestens eine Anode bewirkt eine
Intensivierung des Plasmas, wodurch die erfindungsgemäße Vorbehandlung besonders effektiv durchgeführt werden kann. In einer weiteren Ausgestaltuang sind zwei Anoden im Raum zwischen Sputterkathode und Substrat seitlich so neben der Sputterkathode angeordnet, dass sie als Blenden wirken und den Sputterbereich eingrenzen können.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante ist die
Sputterkathode als Teil eines Dualmagnetrons ausgebildet, welches mit Mittelfrequenzspannung betrieben wird. Das
Dualmagnetron kann sowohl planar als auch rotierend sein. Die Verwendung von Dualmagnetrons dient der effizienten Behandlung und Anlagenauslastung und ermöglicht für das erfindungsgemäße Verfahren zudem Kombinationen der oben angeführten Verfahrensvarianten in einem Kompartment der Anlage .
Der Einsatz von Mittelfrequenzspannung ermöglicht eine breite Auswahl von Targets, da geringere Ansprüche an die Targetmaterialien und deren Leitfähigkeit gestellt werden. Insbesondere werden Ablagerungen auf der Targetoberfläche, z. B. in Form von Oxiden, vermindert, die ansonsten zu einer Herabsetzung der Leitfähigkeit führen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von zwei
Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen chnungen zeigen
Fig. 1 Querschnitt einer erfindungsgemäßen
Vakuumbehandlungsanlage mit einer planaren
Sputterkathode in Substrattransportrichtung Fig. 2 Querschnitt einer erfindungsgemäßen
Vakuumbehandlungsanlage mit einem rotierenden Dualmagnetron in Substrattransportrichtung
Die Zeichnungen stellen allgemein den schematischen Aufbau einer Vakuumbehandlungsanlage 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorbehandlung dar. Die Darstellung ist der besseren Übersicht wegen auf nur ein Beschichtungskompartment beschränkt und zeigt davon nur die wichtigsten Bestandteile. Ein Anspruch auf Darstellung aller Komponenten der Anlage und reale Größenverhältnisse besteht nicht.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein
transparentes Glassubstrat 6 vor dem Aufbringen eines
SchichtSystems in einer Vakuumbehandlungsanlage 1
vorbehandelt, insbesondere gereinigt. Es handelt sich im Ausführungsbeispiel um ein Beschichtungskompartment einer
Durchlauf-Vakuumbehandlungsanlage, welche entsprechend über eine Substrattransporteinrichtung 7 verfügt, mit deren Hilfe das Substrat 6 durch einen Durchgang 5 in der
Vakuumkammerwandung 4 in den Vakuumraum 3 eingebracht wird. Die Substrattransporteinrichtung 7 besteht im
Ausführungsbeispiel aus quer zur längserstreckten
Substrattransportrichtung 8 angeordneten Transportrollen, wobei einige als angetriebene Transportrollen ausgebildet sind. Alternativ wäre die Vorbehandlung des Substrats 6 auch in einer diskontinuierlich arbeitenden
Vakuumbehandlungsanlage 1 möglich.
Die Vakuumbehandlungsanlage 1 ist mit einem planaren Magnetron 9 als Sputterkathode, welches ein planares Target 10 umfasst, ausgestattet, wobei das Target 10 als
wesentlichen Bestandteil Kohlenstoff enthält. Das Substrat ist dem Magnetron 9 gegenüberliegend angeordnet. Der Target- Substrat-Abstand beträgt 120 mm.
Im Beispiel wird eine Sputter-Down-Anlage verwendet, bei der sich das Substrat 6 unterhalb des Targets 10 befindet.
Alternativ kann aber auch eine abweichende
Anlagenkonfiguration, z. B. eine Sputter-Up-Anlage, genutzt werden.
Über ein Gaszufuhrsystem 14 wird das Prozessgas (Arbeits¬ und Reaktivgas) in die Vakuumkammer 2 eingelassen, wobei als Reaktivgas zumindest Sauerstoff genutzt wird. Weiterhin sind im Vakuumraum 3 zwei L-förmige Anoden 13 seitlich vom
Magnetron 9 angeordnet. Sie dienen als Blenden zur
Ausblendung eines Bereichs ein- und ausgangs der
Vakuumbehandlungsanlage 1. Zur Stromversorgung des
Magnetrons 9 dient eine DC-Stromversorgungseinrichtung 12.
Zur Vorbehandlung des Substrats 6 wird ein Plasma gezündet. Der Sputterprozess wird im Ausführungsbeispiel bei einer
Leistungsdichte von 10,5 W/cm2 und einer Prozessspannung von 700 V durchgeführt, während sich das Substrat 6 mit einer Geschwindigkeit von 3 mm/ s in Substrattransportrichtung 8 durch die Vakuumbehandlungsanlage 1 bewegt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel aufgrund der Verwendung eines Magnetrons 9, welches zwei rotierende zylindrische Targets 10 anstelle der planaren Targets 10 und im Inneren jedes Targets 10 ein Magnetsystem 11 aufweist. Die Magnetrons 9 gemäß Fig. 2 sind mit einer AC-Stromversorgung 12 verbunden, die im
Mittelfrequenzbereich betrieben wird. Leistungsdichte,
Prozessspannung und Substrattransportgeschwindigkeit werden an die geänderte Konfiguration angepasst.
Bezugszeichenliste Vakuumbehandlungsanlage
Vakuumkammer
Vakuumraum
Vakuumkammerwandung
Durchgang
Substrat
Substrattranporteinrichtung
Substrattransportrichtung
Magnetron
Target
Magnetsystem
Stromversorgungseinrichtung
Anode
Gaszufuhrsystem

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Vorbehandlung eines beschichteten oder unbeschichteten Substrats (6), indem das Substrat (6) einem reaktiven Sputterprozess unterzogen wird, wobei das Substrat einem Plasma ausgesetzt wird, welches mittels einer
Sputterkathode mit einem kohlenstoffhaltigen Target (10) in einer sauerstoffhaltigen Sputteratmosphäre erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorbehandlung eine Reinigung des Substrats (6) ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem während der Vorbehandlung ein Seedlayer auf der
Substratoberfläche abgeschieden wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sputterprozess magnetfeldgestützt mit einem Magnetron (9) durchgeführt wird und entweder balancierte oder
unbalancierte Magnetfelder verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sputterprozess als Diodenentladung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sputteratmosphäre mindestens ein weiteres Gas zugeführt wird .
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kohlenstoffhaltige Target (10) Beimengungen anderer Elemente enthält.
8. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (6) mit einer Funktionsschicht oder einem SchichtSystem, wobei das Substrat (6) vor oder nach einer Beschichtung mittels eines Prozesses nach einem der Ansprüche 1 bis 7 vorbehandelt wird.
9. Vakuumbehandlungsanlage (1) umfassend eine Vakuumkammer (2), in der eine Sputterkathode und eine Haltevorrichtung für ein der Sputterkathode gegenüberliegend angeordnetes Substrat (6) angeordnet sind, und ein Gaszufuhrsystem (14) für eine Zufuhr von Arbeitsgas und Reaktivgas zur
Vakuumkammer (2), wobei das Gaszufuhrsystem (14) einen
Gaseinlass für Sauerstoff als Reaktivgas und die
Sputterkathode ein kohlenstoffhaltiges Target (10) umfasst.
10. Vakuumbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 9, wobei die Sputterkathode Teil eines Magnetrons (9) ist, welches ein unbalanciertes Magnetfeld ausbildet.
11. Vakuumbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Vakuumbehandlungsanlage (1) eine DC- Stromversorgungseinrichtung ( 12 ) umfasst .
12. Vakuumbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 11, wobei in der Vakuumkammer (2) mindestens eine Anode (13) angeordnet ist .
13. Vakuumbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 12, wobei eine Anode (13) im Raum zwischen Sputterkathode und Substrat (6) angeordnet ist.
14. Vakuumbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Sputterkathode Teil eines Dualmagnetrons ist, welches zwei Magnetrons (9) umfasst und mit
Mittelfrequenzspannung betrieben wird.
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