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Die
Erfindung betrifft einen Substratträger für eine Sputterbeschichtungsanlage. Üblicherweise werden
Substratträger
bei vertikalen Sputterbeschichtungsanlagen zur Aufnahme und Halterung von
Substraten eingesetzt, weshalb die Erfindung insbesondere einen
Substratträger
für eine
vertikale Sputterbeschichtungsanlage betrifft. Die Erfindung betrifft
jedoch auch horizontale Sputterbeschichtungsanlagen, sofern dort
Substratträger
zum Einsatz gelangen.
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Kathodenzerstäubungs-(Sputter-)Verfahren kommen
in vielfältigen
Anwendungen zur Abscheidung dünner
Schichten zum Einsatz. Dabei wird ein Plasma genutzt, um ein Targetmaterial
durch Beschuss mit Ionen abzutragen und auf einem gegenüberliegenden
Substrat abzuscheiden. Dieses Plasma, im Weiteren auch Beschichtungsplasma
genannt, wird dabei von einer Beschichtungsquelle erzeugt. Das zur
Plasmaerzeugung genutzte Prozessgas liefert dabei die zur Zerstäubung des
Targetmaterials notwendigen Ladungsträger (Ionen).
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In
vertikalen Beschichtungsanlagen für großflächige Beschichtungen werden
die zu beschichtenden Substrate, beispielsweise Glas-, Kunststoff-
oder Glaskeramiksubstrate, in einer Sputterbeschichtungskammer senkrecht
oder geringfügig
zur Senkrechten geneigt an dem Plasma vorbei geführt und dabei beschichtet.
Dafür ist
ein Substratträger erforderlich,
der die Aufgabe hat, das Substrat zu haltern, und der mittels eines
Transportsystems, durch die Kammer bewegt wird.
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Ein
solcher Substratträger
wird aus Gründen einer
kostengünstigen
Fertigung und einfachen Handhabbarkeit zum Einspannen des Substrates üblicherweise
aus Metall hergestellt.
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Da
zu den Rändern
eines Beschichtungsplasmas hin die erzielbare Schichtdicke abnimmt, wird
die Größe der Beschichtungsquellen,
die das Beschichtungsplasma erzeugen, im Allgemeinen derart bemessen,
dass sich das Plasma über
die Ränder
des Substrates hinaus erstreckt, um auf dem Substrat eine einheitliche
Schichtdicke zu erzielen. Damit ist das Beschichtungsplasma auch
vor dem das Substrat umgebenden Substratträger vorhanden.
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Es
hat sich nun erwiesen, dass das metallische Material des Substratträgers die
Homogenität des
Beschichtungsplasmas stören
kann, was sich wiederum nachteilig auf die Gleichmäßigkeit
der erzielbaren Schichtdicke auswirken kann.
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Insbesondere
hat sich gezeigt, dass bei der Beschichtung von dielektrischen Substraten
wie Glas, Kunststoff oder Glaskeramik Dichteinhomogenitäten im Plasma
an den Rändern
des Substrates auftreten, die sich auf eine unterschiedliche Wechselwirkung
des metallischen Materials des Substratträgers und des dielektrischen
Substratmaterials mit dem Beschichtungsplasma zurückführen lassen. Diese
Störungen
gleichen sich langsamer aus, als die Substrate an dem Plasma vorbeigefahren
werden, wodurch es zu unzureichenden Schichtdicken in den Randbereichen
des Substrates kommt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Substratträger zur Halterung von Substraten
in vertikalen Sputteranlagen aufzuzeigen, mit welchem der Einfluss
der Position und der Geometrie des Substratträgers auf die Schichtstöchiometrie
und die Schichtdickenverteilung minimiert werden kann.
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Die
Erfindung schlägt
einen Substratträger für eine Sputterbeschichtungsanlage,
insbesondere für
eine vertikale Sputterbeschichtungsanlage vor, der ein zu beschichtendes
Substrat aufnimmt und haltert und der durch eine Sputterbeschichtungskammer
gefahren wird. Das Substratmaterial kann einer der Klassen Isolator,
Halbleiter und Leiter zugeordnet werden. Der erfindungsgemäße Substratträger ist nun
dadurch gekennzeichnet, dass er auf seiner Substrataufnahmeseite
durch eine Verblendung gegenüber
einem Plasma in der Beschichtungskammer verdeckt ist, wobei die
Verblendung den Substratträger unter
Freilassung der zu beschichtenden Fläche des Substrates abdeckt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird
bereits durch eine Verblendung gelöst, die aus einem Material
aus derselben Klasse Isolator, Halbleiter oder Leiter wie das Substrat
besteht.
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Die
elektrischen Eigenschaften eines Materials können durch eine komplexe dielektrische
Konstante oder genauer dielektrische Funktion (wegen deren Frequenzabhängigkeit)
beschrieben werden. Der reelle Teil spiegelt dann die Polarisierbarkeit
(relative Permittivität)
wider, der Imaginärteil
die (dielektrischen) Verluste, verursacht durch die endliche Leitfähigkeit
des Materials, also einen von Null verschiedenen spezifischen Widerstand,
d. h. bei Stromfluss wird dem elektrischen Feld Energie entzogen
und in Wärme
umgesetzt. Diese Verluste beeinflussen dann natürlich wieder das tatsächlich wirkende
elektrische Feld. Bekanntermaßen
lassen sich Materialien bezüglich
ihrer elektrischen Eigenschaften grob in die Klassen Isolator, Halbleiter
und Leiter/Metalle einordnen. Die Verblendung gemäß der Erfindung
sollte wenigstens in dieser Grobeinteilung mit dem Substratmaterial
identisch sein.
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Die
Frequenzabhängigkeit
der dielektrischen Funktion von Substratmaterial und Verblendungsmaterial
sollte qualitativ ähnlich
sein, denn auch im Falle von Mittelfrequenzplasmen (z. B. Doppelmagnetron im
Mittelfrequenz-Wechselspannungsbetrieb), die nicht zu ”weit” vom Gleichspannungsfall
entfernt sind, können
bei bestimmten Sputterprozessen (z. B. im Falle des reaktiven Sputterns
von SiO2) sehr hochfrequente Plasmaschwingungen
nicht unbedeutenden Ausmaßes
auftreten. Selbstredend ist dies natürlich bei RF-Magnetronentladungen
mit Frequenzen von beispielsweise 13 MHz zu beachten. Diese qualitative Ähnlichkeit
der Frequenzabhängigkeit
der dielektrischen Funktion von Substratmaterial und Verblendungsmaterial
ist bereits gegeben, wenn das Verblendungsmaterial wie angegeben
aus einem Material derselben Klasse Isolator, Halbleiter oder Leiter/Metall
wie das Substratmaterial besteht.
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Die
relative Permittivität
von gebräuchlichen dielektrischen
Beschichtungssubstraten wie Glas, Glaskeramik oder verschiedenen
Kunststoffen liegt im Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 16. Ein
deutlicher Vorteil der Erfindung gegenüber einer Anordnung bestehend
aus dielektrischem Substrat und unverkleidetem metallischem Träger wird
bereits dann erzielt, wenn der Träger mit einem in seinen dielektrischen
Eigenschaften mit dem Substratmaterial vergleichbaren Material verblendet
wird, also beispielsweise ein Glassubstrat mit einer Glaskeramikblende oder
umgekehrt.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
weicht die relative Permittivität
des Materials der Verblendung unter den Umgebungsbedingungen des
Beschichtungsprozesses, d. h. solchen Bedingungen wie Temperatur,
Druck, Frequenz, um höchstens
das zweifache von der relativen Permittivität des Substratmaterials ab
und/oder die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Materials der Verblendung
weicht um höchstens
zwei Größenordnungen von
der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Substratmaterials
ab. Handelt es sich bei Substrat- und Verblendungsmaterial um Isolatoren,
so ist für diese
die relative Permittivität
der Materialien zu betrachten. Handelt es sich bei Substrat- und
Verblendungsmaterial um elektrisch leitende Materialien, so ist
für diese
hingegen die Betrachtung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit
relevant. Fallen sowohl Substratals auch Verblendungsmaterial in
die Klasse der Halbleiter, so sind sowohl die relative Permittivität als auch
die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Substratmaterials
zu betrachten.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung liegt die relative Permittivität der Verblendelemente im Bereich
von plus/minus 10% der relativen Permittivität des Substrates, was bedeutet,
dass als Verblendelemente im Wesentlichen das gleiche Material wie
das Substratmaterial verwendet wird. Im praktischen Einsatz müsste gegebenenfalls
ein Kompromiss zwischen der erzielbaren Schichthomogenität und dem
Aufwand einer Bevorratung von Verblendelementen aus sämtlichen potentiell
als Substratmaterial eingesetzten Materialien gefunden werden.
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Die
Verblendung kann einstückig
in Form eines Rahmens ausgeführt
sein oder kann aus mehreren aneinandergrenzend angeordneten Verblendelementen
bestehen.
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Das/die
Verblendelement(e) ist/sind mithilfe von Befestigungsmitteln lösbar an
dem Substratträger
befestigt, so dass sie austauschbar sind. Vorzugsweise werden Dübel als
Befestigungsmittel verwendet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Substratträger
als Hinterstützungsplatte
ausgebildet sein, und die Verblendung kann derart ausgebildet sein,
dass sie das Substrat an zumindest einem Rand überkragt und dadurch an dem
Substratträger hält, so dass
sie außerdem
als Spannelement für
das Substrat fungiert.
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Entsprechend
einer weiteren Ausführungsform
kann der Substratträger
als Spannrahmen für das
Substrat ausgebildet sein, und die Verblendung kann plattenförmig ausgebildet
und plasmaseitig an dem Substratträger befestigt sein, ohne das
Substrat zu berühren.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Substratträgers
ist die Größe des Substratträgers und/oder
zumindest die Größe der Verblendung
des Substratträgers
derart bemessen, dass sie mindestens der Abmessung des Plasmas entspricht,
so dass die Verblendung den Substratträger gegebenenfalls an dessen
Rändern
auch überragen
kann. Damit kann es gelingen, Beschichtungsmaterial abzufangen und
so parasitäre
Beschichtungen in der Beschichtungskammer zu vermeiden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sollen nun detailliert anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden,
dabei zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß verblendeten Substratträgers in
einer Beschichtungskammer einer Vertikalbeschichtungsanlage;
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2 eine
Ansicht der dem Beschichtungsplasma zugewandten Seite eines erfindungsgemäß verblendeten
Substratträgers
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
Ansicht der dem Beschichtungsplasma zugewandten Seite eines erfindungsgemäß verblendeten
Substratträgers
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
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4 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß verblendeten Substratträgers gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß verblendeten Substratträgers gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung; und
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6 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß verblendeten Substratträgers gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
eine Sputterbeschichtungskammer 10 als ein Beispiel für eine Beschichtungskammer
einer Vertikalbeschichtungsanlage dargestellt, in der die Erfindung
zur Anwendung kommen kann. In der Beschichtungskammer ist ein Rohrmagnetron 12 angeordnet,
das über
außerhalb
der Kammer angeordnete Stromzuleitungen 14 und einen Elektromotor 13 betrieben
wird.
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Ein
Substratträger 2,
der ein Substrat 1 haltert, wird mittels eines Transportsystems 4–7 durch die
Beschichtungskammer 10 bewegt. Der Substratträger ist
von der Kammer und dem Transportsystem elektrisch isoliert, befindet
sich also auf floatendem Potential. Das Transportsystem umfasst
einen unterhalb (6) und einen oberhalb (4) des
Substratträgers angeordneten
Teil. Zum Beispiel kann der Substratträger auf Rollen 5 verfahren
werden, die über
einen Elektromotor 7 angetrieben werden und kann an seiner
Oberkante magnetisch gehalten werden. Transportsysteme für Substratträger sind
bekannt und sind nicht Teil der Erfindung.
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Ein
typischer Abstand von Substratträger
zu Plasma beträgt
50–150
mm. Ein typischer bekannter Substratträger weist eine Länge von
ungefähr
3,5 m und eine Höhe
von ungefähr
2,5 m auf und kann ein Substrat mit Abmessungen von 3,2 × 1,8 m
haltern. Diese Abmessungen stellen lediglich ein veranschaulichendes
Beispiel dar; keinesfalls ist damit beabsichtigt, die Erfindung
auf eine bestimmte Substratoder Substratträgergröße einzuschränken.
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Der
Substratträger 2 ist
auf der Schichtabscheidungsseite vollflächig mit einem Material 3 verblendet,
das in seinen dielektrischen Eigenschaften dem Substrat 1 vergleichbar
ist. Besteht das Substrat 1 beispielsweise aus Glas, so
wird eine Verblendung aus Glas oder Glaskeramik bevorzugt. Die Öffnung der
Verblendung 3 definiert die zu beschichtende Fläche des
Substrates 1.
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Die 2 bis 6 stellen
Prinzipskizzen des erfindungsgemäß verblendeten
Substratträgers als
Vorderansicht der dem Plasma zugewandten Seite bzw. als Querschnittsansichten
dar, in denen die Beschichtungskammer und das Magnetron sowie Details
des Transportsystems der Übersichtlichkeit halber
weggelassen sind.
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In 2 ist
eine Ausführungsvariante
der Verblendung 3 gezeigt, bei der die Verblendung aus vier
Verblendelementen besteht. Es sei hier angemerkt, dass die Figuren
nicht maßstabsgerecht
gezeichnet sind. Bei den oben genannten beispielhaften Abmaßen für Substratträger und
Substrat würde der
Substratträger
das Substrat horizontal an jeder Seite um zirka 150 mm und vertikal
um zirka 350 mm überragen,
was der Mindestbreite der Verblendelemente entsprechen würde.
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Die
Verblendelemente können
mittels Dübeln
auf dem Substratträger
gehalten werden. Auch eine Befestigung mittels Schrauben oder anderen bekannten
Befestigungsmitteln, mit denen die Verblendelemente lösbar und
somit austauschbar an dem Substratträger befestigt werden können, kommt in
Betracht. Zwei- oder dreiteilige Ausführungsvarianten der Verblendung,
mit welcher der Substratträger 2 auf
der dem Plasma zugewandten Seite vollflächig umkleidet wird, sind ebenfalls
möglich.
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In 3 ist
außerdem
eine einstückige
Ausführungsvariante
der Verblendung 3 dargestellt.
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Bei
der in 4 dargestellten Ausführungsform wird das Substrat
allein durch den Substratträger 2a gehalten,
der als Spannrahmen ausgebildet ist. Die Verblendelemente 3a sind
plattenartig ausgebildet und sind auf der dem Plasma zugewandten Seite
des Substratträgers
das Substrat umschließend
angebracht, ohne dass sie in Berührung
mit dem Substrat kommen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können die
Verblendelemente 3 selbst auch eine Spannfunktion bezüglich des
Substrates ausüben.
In 5 ist zum Beispiel ein Substratträger 2b dargestellt,
der als Hinterstützungsplatte
für das
Substrat ausgebildet ist. Die Verblendelemente 3b überkragen
die Substratränder
oder an der Beschichtungsseite und halten damit das Substrat an
dem Substratträger.
Somit bilden sie einen Teil einer Spannvorrichtung für das Substrat.
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Bei
einer in 6 dargestellten Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Verblendung
weisen die Verblendelemente 3c eine Schulter zum Substrat hin
auf, mit der auch eine senkrecht zum Substrat und zum Plasma ausgerichtete
Kante des Spannrahmens 2c gegenüber dem Plasma abgedeckt wird.
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Es
sind vielfältige
Kombinationen der in den Figuren gezeigten Ausbildungsformen der
Anordnungen aus Substratträger
und einem oder mehreren Verblendelementen möglich. Wesentlich dabei ist, dass
die dem Plasma zugewandte Front, bestehend aus Substratoberfläche und
Verblendelementen, im Wesentlichen einheitliche dielektrische Eigenschaften
aufweist, so dass durch den Übergang
Substrat/Verblendung keine Inhomogenitäten des Plasmas induziert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung, die nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, sind
der Substratträger
und/oder die Verblendung derart ausgebildet, dass parasitäre Beschichtungen in
der Beschichtungskammer vermieden werden. Der Substratträger wird
derart bemessen, dass er Abmessungen aufweist, die mindestens der
Ausdehnung des Plasmas entsprechen. Damit kann er außerhalb
der Substratränder
Beschichtungsmaterial abfangen, das ansonsten die Beschichtungskammer verschmutzen
würde.
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Traditionell
werden in den Kammern Blenden verbaut, die bestimmte Bereiche vor
Beschichtung schützen,
da Beschichtungen in der Beschichtungskammer ungewollte Partikelquellen
darstellen können.
Diese Blenden selbst werden dann aber auch beschichtet. Durch die
erfindungsgemäße Verkleidung
des Substratträgers
mit einem Material mit ähnlichem
dielektrischen Eigenschaften wie denen des Substrates erübrigt sich
der Aspekt, den Substratträger
so zu bemessen, dass er möglichst
wenig über das
Substrat übersteht,
um das Plasma nicht zu beeinträchtigen.
Mit der erfindungsgemäßen Verblendung
ist es auch möglich,
den Substratträger
breiter zu gestalten, als für
dessen Halterungsfunktion erforderlich wäre, so dass er zusätzlich die
genannte Abschirmfunktion erfüllt.
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel überragt
die Verblendung den Substratträger
an dessen Außenseiten
und kann dadurch Beschichtungsmaterial abfangen, das ansonsten zu parasitären Beschichtungen
führen
würde.
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Die
Sputteranlage kann eine Magnetron-Beschichtungsanlage darstellen.
Das Magnetron ist dann breiter als das Substrat. Der Substratträger hingegen
sollte mindestens genauso groß wie
das Magnetron sein, um parasitäre
Beschichtungen in der Beschichtungskammer zu vermeiden.
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Der
Substratträger
kann auch als Trägerband
ausgebildet sein, das aufeinander folgende Substrate haltert. In
einem solchen Fall steht dem Beschichtungsplasma durch den Substratträgeraufbau
mit Verblendungen stets eine in ihren (di-)elektrischen Eigenschaften
unveränderte
Wand gegenüber.
Damit minimiert sich der Einfluss der Position und der Geometrie
des Substratträgers
auf die Stöchiometrie
sowie die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat sowohl in Längs- als
auch in Querrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2,
2a, b, c
- Substratträger
- 3,
3a, b, c
- Verblendelemente
- 4
- oberer
Teil des Transportsystems
- 5
- Transportrollen
- 6
- unterer
Teil des Transportsystems
- 7
- Elektromotor
- 10
- Beschichtungskammer
- 12
- Rohrmagnetron
- 13
- Elektromotor
- 14
- Stromversorgung