DE19546900C1 - Zinn-Kathode einer Magnetronsputteranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zinn-Kathode einer Magnetron­ sputteranlage zur großflächigen Beschichtung von tafel-för­ migen Werkstücken, z. B. Flachglas, bestehend aus einer Zinnplatte, die auf eine Kupfer-Grundplatte aufgelötet ist, in welche zu Transportzwecken Gewindebuchsen aus einem Me­ tall höherer Festigkeit als das der Kupfer-Grundplatte ein­ gesetzt sind.

Magnetronsputteranlagen arbeiten nach dem bekannten Prinzip der Hochvakuum-Kathodenzerstäubung, wobei das gebildete Plasma durch ein Permanentmagnetsystem beeinflußt wird. Wenn SnO₂-Schichten auf großflächige Werkstücke, z. B. Glastafeln mit Maßen von 6,20 × 3,20 m, aufgetragen werden sollen, muß als sog. Target am Kathodengehäuse der Sputter­ anlage eine Zinnplatte befestigt werden, die länger ist als das kleinere Kantenmaß der Glastafeln. Im Beispielsfall ha­ ben die Zinnplatten eine Fläche von 3,45 × 0,40 m und sind 14 mm dick. Im Gegensatz zu als Target benutzten Platten aus anderen Werkstoffen hat Zinn eine so geringe Festigkeit, daß die verhältnismäßig große Platte sich zu stark biegen würde, wenn man sie nicht versteifte. Zu diesem Zweck ist die Zinnplatte rückseitig mit einer z. B. 6 mm starken Grundplatte aus Kupfer verlötet. Die beiden auf diese Weise zu einer Einheit verbundenen Platten werden oberhalb der Förderbahn für die Glastafeln mit dem Kathodengehäuse ver­ schraubt, welches die Permanentmagnete und Kühlkörper zur Kühlung des Targets aufnimmt. Die Verschraubung erfolgt un­ ter Zuhilfenahme von am Rand der Kupfer-Grundplatte angreifenden Leisten und einer Vielzahl von Stahlschrauben, die im wesentlichen entlang der Längsmittellinie der Zinn­ platte angeordnet sind, sich durch Löcher in dieser sowie in der Kupfergrundplatte erstrecken und in passende Gewin­ debohrungen im Kathodengehäuse bzw. einem mit diesem ver­ bundenen Teil eingeschraubt sind. Während des Betriebs wird infolge der Kathodenzerstäubung Material von der nach unten weisenden Fläche der Zinnplatte abgetragen, und zwar in zwei parallelen Bereichen, die an den Enden der Zinnplatte ineinander übergehen und zwischen denen, entlang der Längs­ mittellinie, sich ein Bereich befindet, in dem kein Materi­ alabtrag erfolgt.

Da sich das Target bei der Kathodenzerstäubung verbraucht, müssen die miteinander verlöteten Zinn- und Kupferplatten nach einer bestimmten Arbeitszeit vom Kathodengehäuse abge­ schraubt, abtransportiert und durch neue ersetzt werden. Der Transport erfolgt normalerweise hängend in einer zur Betriebsstellung umgekehrten Lage, in der sich die Zinn­ platte oben befindet. Um die verhältnismäßig schweren Plat­ ten an Transportorganen aufhängen zu können, sind entlang der Längmittellinie einige, und zwar im Verhältnis zur Zahl der Befestigungsschrauben wenige Gewindebuchsen in die Kup­ fer-Grundplatte eingesetzt. Bei den oben bespielhaft ge­ nannten Plattenmaßen genügen sieben derartige Haltebuchsen, die beispielsweise über ein Außengewinde M18 mit der Kup­ fer-Grundplatte verschraubt sind und ein Innengewinde M12 haben, in das z. B. tragende Gewindebolzen eingeschraubt werden können. Die Gewindebuchsen sind notwendig, weil es wegen unzureichender Festigkeit des Werkstoffs der Kupfer­ grundplatte nicht möglich ist, die für den Transport be­ nutzten Tragbolzen unmittelbar in Gewindebohrungen der Kup­ fer-Grundplatte einzuschrauben. Die Gewindebuchsen bestehen ebenso wie die zur Befestigung entlang der Längsmittellinie der Kathodenplatte verwendeten Befestigungsschrauben aus Edelstahl, z. B V2A oder ähnlichen Stahllegierungen.

Während des Betriebs der Anlage bildet sich unter der Zinn­ platte, und zwar unterhalb der beiden parallelen an den En­ den etwa halbringförmig ineinander übergehenden Abtragsbe­ reiche, jeweils mit Abstand von der Längsmittellinie, wo sich die Befestigungsschrauben befinden, eine Plasmawolke aus, die durch elektrische Felder zum horizontalen Umlauf längs der genannten Abtragsbereiche gebracht wird.

Trotz der Zirkulation des aus Metallionen und bestimmten Gasionen bestehenden Plasmas hat sich herausgestellt, daß die Beschichtung der unter der Kathode quer zu deren Längs­ richtung hindurchgeführten Glastafeln streifenförmig un­ gleichmäßig ist. Die Beschichtungscharakteristik weist ty­ pische Zackungen und Profilbildungen auf, die sich vor al­ lem in den Farbwerten der Schichten dokumentieren, die spektralphotometrisch gewonnen und als Funktion des Meßwegs über die Breite der Glastafeln aufgezeichnet werden. Dabei zeigen sich deutlich unerwünschte Abweichungen von den Ide­ alfarbwerten. Die Ungleichmäßigkeiten des Plasmas lassen sich auch optisch mittels Langzeitfotographie nachweisen.

Neben dem aus der bisherigen Praxis bekannten, vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist aus der DD-PS 1 47 554 eine Magnetronkathode zur Aufstäubung wärmestrahlenreflek­ tierender Schichten auf Glasscheiben mit einem Magnetsystem mit Wasserkühlung, einer darauf aufliegenden Wasser-Grund­ platte und auf dieser liegenden Targetplatte bekannt. In ihrem Zentrum ist eine Bohrung angebracht, durch die hin­ durch eine Hohlschraube aus nichtmagnetischem Material, wie Edelstahl, in eine Feingewindebohrung in der Wasser-Grund­ platte einschraubbar ist. Sie erlaubt optische Messungen durch die Bohrung und gleichzeitig ein lösbares, vakuum­ dichtes Verklemmen der beiden Platten in ihrer Mitte bei nur geringer Störung des Magnetfelds. Die Wasser-Grundplat­ te könnte, weil sie gut wärmeleitend sein muß, aus Kupfer bestehen. Über das Material der Targetplatte ist nichts ausgesagt. Wie im Falle einer großen Platte der Transport bewerkstelligt werden kann, ist ebenfalls nicht beschrie­ ben. Da sie von der Wasser-Grundplatte lösbar ist und letz­ tere nicht mit hoch belastbaren Einsätzen in Form von Ge­ windebuchsen versehen ist, wird bei dieser Konstruktion offenbar allein die Targetplatte ausgewechselt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zinnkathode der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich eine gleichmäßigere Beschichtung der Werkstücke erzielen läßt.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gewindebuchsen aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff bestehen, vorzugsweise aus einer harten Kupferle­ gierung, die etwa denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie die Kupfer-Grundplatte. Beispielhaft sei als Werk­ stoff für die Gewindebuchsen Cu 58 Te genannt.

Die Gewindebuchsen können mit einem Außengewinde in die Kupfer-Grundplatte eingeschraubt und/oder mit einem äußeren Konus oder Flansch ausgebildet sein und sich mit der Konus- bzw. Stufenfläche an der Grundplatte axial abstützen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bisher verwendeten Gewindebuchsen einen gewissen Grad von Ferroma­ gnetismus haben und die dadurch bewirkte Beeinflussung des Magnetfelds zu einer unerwünschten Deformation des Plasmas führt, die sich trotz der zirkulierenden Strömung des Plas­ mas bemerkbar macht. Neben den Gewindebuchsen erstrecken sich zwar auch noch auf der Längsmittellinie der Kathode Befestigungsschrauben aus Edelstahl durch die Targetplatte, aber diese Schrauben haben einen viel geringeren Einfluß auf die Beschichtungsqualität, da ihre Zahl wesentlich grö­ ßer ist als die Zahl der Haltebuchsen. Außerdem ist der Ab­ stand zu den Permanentmagneten größer.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an­ hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Kathodenraum einer Magnetronbe­ schichtungsanlage;

Fig. 2 eine Teildraufsicht auf die Target­ platte der Beschichtungsanlage nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt der Targetplatte in Verbindung mit einer Transport­ schiene, wobei diese und die Target­ platte nicht schraffiert sind;

Fig. 4 Seitenansicht und Axialschnitt einer in die Kupfer-Grundplatte der Targetplatte nach Fig. 1 bis 3 eingesetzten Gewinde­ buchse zur Verbindung mit der Trans­ portschiene nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Farbwertkurve, aufgetragen über der Breite einer beschichteten Glasta­ fel, bei Verwendung einer herkömmli­ chen Kathode mit Gewindebuchsen aus Stahl;

Fig. 6 eine Farbwertkurve entsprechend Fig. 5 einer Beschichtung, die mit einer er­ findungsgemäßen Kathode mit Haltebuch­ sen aus nicht-ferromagnetischem Mate­ rial erzeugt wurde.

Um Wärmeschutzglas zu erhalten, werden auf Flachglas nach­ einander mehrerer Metall- und Metalloxydschichten aufgetra­ gen, z. B. zunächst eine SnO₂-Schicht, dann eine Silber­ schicht, anschließend eine Metalloxydschicht und zum Schluß wieder eine SnO₂-Schicht. Die Beschichtung erfolgt in Ma­ gnetronsputteranlagen. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Kathodenraum einer Station, in der eine SnO₂-Schicht auf Glasscheiben 10 aufgetragen wird, die mittels Trans­ portrollen 12 unter einer Zinn-Kathode 14 hindurchgeführt werden. Wegen ihrer geringen Festigkeit ist die als Target bezeichnete Zinnplatte 14 mit einer Kupfer-Grundplatte 16 verlötet, und die Einheit dieser beiden Platten 14, 16 ist über Randleisten 18 und mittels zentral angeordneter Befe­ stigungsschrauben 20 an der Unterseite des Kathodengehäuses 22 befestigt, welches u. a. Kühlkörper 24 und Permanentma­ gnete aufnimmt. Die Anodenbleche mit Gaseinlässen für die Sputtergase sind mit 26 bezeichnet. Während des Betriebs bildet sich durch Kathodenzerstäubung eine Plasmawolke 28 rechts und links von der Mittellängslinie der Kathode 14. Die Plasmawolke 28 hat in Draufsicht insgesamt die Form ei­ nes gestreckten, in sich geschlossenen Rings (vgl. Fig. 2). Sie wird mittels unterhalb der Transportebene der Glasta­ feln 10 angeordneter Spulenwicklungen 30 zur Zirkulation gebracht, wobei das Plasma auf der einen Seite der Längs­ mittellinie der Kathode in der einen und auf der anderen Seite in der entgegengesetzten Längsrichtung strömt. Dabei lagert sich ein Teil des Materials der Plasmawolke auf der Oberfläche der Glasscheiben ab.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Targetplatte 14 mit ei­ ner großen Zahl von Befestigungsschrauben 20 aus Edelstahl, die sich durch Bohrungen in der Kupfer-Grundplatte 16 er­ strecken, mit dem Kathodengehäuse 22 verschraubt. Über die gesamte Länge der Kathode verteilt sind in einer Reihe mit den Befestigungsschrauben Gewindebuchsen 32 in die Kupfer-Grundplatte eingesetzt, insgesamt z. B. sieben Stück bei der eingangs genannten Länge der Kathode. Die Gewindebuch­ sen 32, deren Lage in Fig. 2 eingezeichnet ist, obgleich sie in dieser Ansicht nicht sichtbar wären, haben gemäß Fig. 3 und 4 eine durchgehende Bohrung mit einem Innenge­ winde M12 und ein Außengewinde M18. Sie bestehen bei der gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform aus der Kupfer­ legierung Cu 58 Te. Es könnte auch ein anderer Werkstoff verwendet werden, wesentlich ist jedoch, daß dieser nicht ferromagnetisch ist. Die axiale Länge der Gewindebuchse kann gleich der Dicke der Kupfer-Grundplatte 16 sein. Im montierten Zustand nach Fig. 1 erstreckt sich jeweils eine Befestigungsschraube 20 frei durch die Gewindebohrung jeder Gewindebuchse 32.

Wenn eine Kathodenplatte 14 verbraucht ist, werden die Be­ festigungsschrauben 20 und die Befestigungen an den Leisten 18 gelöst, die alte Kathodenplatte entfernt und eine neue herantransportiert und an der Unterseite des Kathodengehäu­ ses 22 befestigt. Der Transport der Kathodenplatten erfolgt jeweils mit Hilfe einer in Fig. 3 gezeigten Transport­ schiene 34, die auf der Zinnplatte 14 aufliegt und durch Schraubenbolzen 36, welche in die Gewindebohrungen M12 der Gewindebuchsen 32 eingeschraubt sind, mit der Plattenein­ heit 14, 16 verbunden ist.

Die Verbesserung des Arbeitsergebnisses, die mit Kathoden­ platten mit Gewindebuchsen 32 aus nicht-ferromagnetischem Material erzielt wird, geht aus einem Vergleich der Fig. 5 und 6 hervor. Dort sind über den Meßweg quer zur Glas­ durchlaufrichtung Farbwerte aufgetragen, die bei UV-VIS-Re­ flexionsmessungen gemessen wurden. Die nach Beschichtung mittels einer Kathodenplatte mit herkömmlichen Gewindebuch­ sen aus Edelstahl aufgenommene Farbwertkurve nach Fig. 5 zeigt ausgeprägte Spitzen und Minima im Abstand der Gewin­ debuchsen, während die Farbwertkurve gemäß Fig. 6 einer Be­ schichtung mittels einer Kathodenplatte mit Gewindebuchsen aus nicht-ferromagnetischem Material wesentlich geringere Farbabweichungen ausweist.

Claims (5)

1. Zinn-Kathode einer Magnetronsputteranlage zur großflä­ chigen Beschichtung von tafelförmigen Werkstücken, z. B. Flachglas, bestehend aus einer Zinnplatte (14), die auf eine Kupfer-Grundplatte (16) aufgelötet ist, in welche zu Transportzwecken Gewindebuchsen (32) aus ei­ nem Metall höherer Festigkeit als das der Kupfer-Grund­ platte (16) eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindebuchsen (32) aus einem nicht-ferromagne­ tischen Werkstoff bestehen.

2. Zinn-Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Gewindbuchsen (32) etwa denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie die Kupfer-Grund­ platte.

3. Zinn-Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gewindebuchsen (32) aus einer Kupfer­ legierung bestehen.

4. Zinnkathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindebuchsen (32) mit einem Außengewinde in die Kupfer-Grundplatte eingeschraubt sind.

5. Zinn-Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gewindebuchse 32 mit einem äußeren Konus oder Flansch ausgebildet ist und sich mit einer Konus- bzw. Stufenfläche an der Kupfer-Grundplatte axial abstützt.