DE102007004760A1 - Apparatus and method for coating plate-shaped or band-shaped metallic substrates - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten von mindestens einem plattenförmigen oder bandförmigen metallischen Substrat, wobei eine Vakuumkammer vorgesehen ist, in welcher ein Magnetron-Permanentmagnet derart auf der nicht zu beschichtenden Seite des Substrates angeordnet ist, dass dessen Magnetfeld über der Oberfläche der zu beschichtenden Seite des Substrates ausgebildet ist, wobei mittels einer Zuführung ein Precursor in die Vakuumkammer einlassbar ist und das Substrat zumindest zeitweise als Kathode einer Magnetronentladung geschaltet ist.The invention relates to a device and a method for coating at least one plate-shaped or strip-shaped metallic substrate, wherein a vacuum chamber is provided, in which a magnetron permanent magnet is arranged on the not to be coated side of the substrate, that its magnetic field over the surface of the is formed to be coated side of the substrate, wherein by means of a feed precursor into the vacuum chamber is einlassbar and the substrate is at least temporarily connected as a cathode of a magnetron discharge.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten von Platten oder Bändern aus Metall unter Vakuumbedingungen, bei denen das Abscheiden einer Schicht vorrangig durch Prozesse der chemischen Dampfabscheidung erfolgt.The The invention relates to an apparatus and a method for coating of plates or bands of metal under vacuum conditions, where the deposition of a layer primarily by processes the chemical vapor deposition takes place.
Stand der TechnikState of the art
Vorrichtungen und Verfahren auf dem Gebiet der physikalischen Dampfabscheidung als auch auf dem Gebiet der chemischen Dampfabscheidung sind hinlänglich bekannt. Bei Vorrichtungen und Verfahren der chemischen Dampfabscheidung (auch unter dem Kürzel CVD bekannt) wird oftmals ein Precursorgas in eine Vakuumkammer eingelassen, wobei sich chemische Reaktionsprodukte des Precursorgases auf einem zu beschichtenden Substrat abscheiden. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind insbesondere geeignet, um großflächige Substrate zu beschichten bzw. um hohe Beschichtungsraten zu erzielen. Negativ wirkt sich bei CVD-Prozessen aus, dass es sich bei diesen um ungerichtete Prozesse handelt, bei denen sich die Reaktionsprodukte neben einem zu beschichtenden Substrat auch auf allen anderen ungeschützten inneren Bestandteilen einer Vakuumkammer niederschlagen.devices and methods in the field of physical vapor deposition as well as in the field of chemical vapor deposition are sufficient known. In devices and methods of chemical vapor deposition (also known by the abbreviation CVD) is often a Precursorgas in a vacuum chamber is recessed, leaving behind chemical reaction products of Precursorgases on a substrate to be coated. Such devices and methods are particularly suitable to coat large-area substrates or to achieve high coating rates. Negative affects CVD processes that these are undirected processes where the reaction products next to a substrate to be coated also on all other unprotected internal components precipitate a vacuum chamber.
Bei der physikalischen Dampfabscheidung (auch unter dem Kürzel PVD bekannt) wird ein zu beschichtendes Material entweder durch Wärmezufuhr (Verdampfen) oder durch Zerstäuben (Sputtern) in die Dampfphase überführt und anschließend auf einem zu beschichtenden Substrat abgeschieden. Beim so genannten Magnetronsputtern brennt eine Magnetronentladung auf einem Target, welches als Kathode der Entladung geschaltet ist und das Beschichtungsmaterial bevorratet. Magnetronsputterprozesse sind ebenfalls zum Beschichten von Platten und Bändern geeignet, insbesondere auch dann, wenn dünne Schichten mit gleich bleibenden Schichteigenschaften abgeschieden werden sollen. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass es sich beim Zerstäuben um einen gerichteten Prozess handelt. Durch geeignete Maßnahmen können die zerstäubten Partikel vorrangig in Richtung Substrat beschleunigt werden, wodurch Parasitärbeschichtungen an Teilen der Vakuumkammereinrichtung verringert werden können.at the physical vapor deposition (also under the abbreviation PVD known) is a material to be coated either by Heat supply (evaporation) or by sputtering (Sputtering) transferred to the vapor phase and then deposited on a substrate to be coated. When so-called Magnetron sputtering burns a magnetron charge on a target, which is connected as the cathode of the discharge and the coating material stored. Magnetron sputtering processes are also for coating of plates and tapes, especially if thin layers with consistent layer properties to be separated. It is also advantageous that it is sputtering is a directed process. By Suitable measures can be the atomized Particles are primarily accelerated towards the substrate, thereby Parasitic coatings on parts of the vacuum chamber device can be reduced.
Die Eigenschaften der beim Magnetronsputtern aufwachsenden Schichten werden auch durch das bei der Entladung entstehende Plasma beeinflusst. Oft ist ein intensives Plasma am Substrat erwünscht, um gute Schichteigenschaften zu erlangen. Die höchste Intensität des Plasmas befindet sich jedoch in der Nähe des Targets und nicht am Substrat, so dass die Wirkung des Plasmas für die am Substrat aufwachsenden Schichten begrenzt bleibt.The Properties of the layers growing during magnetron sputtering are also affected by the plasma produced during the discharge. Often an intense plasma on the substrate is desired to to obtain good layer properties. The highest intensity however, the plasma is near the target and not on the substrate, so the effect of the plasma for the growing on the substrate layers remains limited.
Durch Einlass eines Reaktivgases in eine Vakuumkammer kann der Abscheideprozess auch reaktiv erfolgen, d. h. dass die Schicht als ein Produkt aus dem Material des Targets und dem Reaktivgas gebildet wird. Beim reaktiven Magnetronsputtern wird allerdings das Target ebenfalls mit Reaktionsprodukten belegt, wodurch Parameter der Entladung und die Eigenschaften der am Substrat aufwachsenden Schichten beeinflusst werden können. Bei vielen Schichtsystemen muss der Abscheideprozess durch aufwändige Regelprozesse stabilisiert werden.By Inlet of a reactive gas into a vacuum chamber may be the deposition process also be reactive, d. H. that the layer is made as a product the material of the target and the reactive gas is formed. At the however, the target also becomes reactive magnetron sputtering occupied with reaction products, whereby parameters of the discharge and influences the properties of the layers growing on the substrate can be. In many coating systems, the deposition process must be stabilized by complex control processes.
Als Reaktivgas beim Magnetronsputtern kann auch ein Precursor in eine Vakuumkammer eingelassen werden. Damit wird sowohl eine chemische Dampfabscheidung durch Aufspalten der Moleküle des Precursors im Plasma der Magnetronentladung und eine Kondensation der Spaltprodukte auf dem Substrat als auch ein physikalische Dampfabscheidung durch Zerstäuben und Abscheiden des Targetmaterials erreicht.When Reactive gas in magnetron sputtering can also be a precursor in a Vacuum chamber are admitted. This will produce both a chemical vapor deposition by splitting the molecules of the precursor in the plasma the magnetron discharge and a condensation of the cleavage products the substrate as well as a physical vapor deposition by sputtering and depositing the target material.
Aus
Aufgabenstellungtask
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mittels denen die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollen es Vorrichtung und Verfahren ermöglichen, Schichten auf plattenförmigen oder bandförmigen metallischen Substraten mittels CVD-Prozessen abzuscheiden, bei denen auch elektrisch isolierende Schichten langzeitstabil und mit homogenen Eigenschaften abgeschieden werden können.The invention is therefore the technical problem of providing a device and a method by which the disadvantages of the prior art can be overcome. In particular, it should allow apparatus and methods, layers on plate-shaped or band Shaped metallic substrates deposited by CVD processes, in which also electrically insulating layers can be deposited long-term stable and with homogeneous properties.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.The Solution of the technical problem results from the objects with the features of claims 1 and 16. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten von mindestens einem plattenförmigen oder bandförmigen metallischen Substrat zeichnen sich aus durch eine Vakuumkammer, in welcher ein Magnetron-Permanentmagnet derart auf der nicht zu beschichtenden Seite des Substrates angeordnet ist, dass dessen Magnetfeld über der Oberfläche der zu beschichtenden Seite des Substrates ausgebildet wird, wobei mittels einer Zuführung ein Precursor in die Vakuumkammer einlassbar ist und das Substrat zumindest zeitweise als Kathode einer Magnetronentladung geschaltet ist. Dadurch, dass die geschlossene Spur der Magnetronentladung (auch Rennbahn genannt) direkt über der zu beschichtenden Seite des Substrates brennt, wird dort ein Plasma mit einer sehr hohen Intensität erzeugt, was zum Erhöhen der Beschichtungsrate beiträgt. Vorteilhaft wirkt sich hierbei ebenfalls aus, dass es sich um ein kathodenseitiges Plasma handelt. Die ionisierten Materialpartikel im Plasma, welche überwiegend eine positive elektrische Ladung aufweisen, werden aufgrund des kathodisch geschalteten Substrats von diesem angezogen und somit noch einmal beschleunigt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren sind daher besonders geeignet, dichte und gegebenenfalls harte Schichten abzuscheiden. Die elektrische Spannung zwischen Kathode und Anode beträgt erfindungsgemäß 100 V bis 500 V.A inventive device and an inventive Process for coating at least one plate-shaped or band-shaped metallic substrate are distinguished through a vacuum chamber in which a magnetron permanent magnet so arranged on the non-coated side of the substrate is that its magnetic field is above the surface is formed to be coated side of the substrate, by means of a feed a precursor einlassbar in the vacuum chamber is and the substrate at least temporarily as a cathode of a magnetron discharge is switched. Due to the fact that the closed track of the magnetron discharge (also called racetrack) directly above the to be coated Side of the substrate burns, there will be a plasma with a very high intensity, which helps to increase the Coating rate contributes. This has an advantageous effect also that it is a cathode-side plasma. The ionized material particles in the plasma, which predominantly have a positive electric charge, are due to the cathodically connected substrate attracted by this and thus accelerated once again. An inventive Device and a method according to the invention are therefore particularly suitable dense and optionally hard layers deposit. The electrical voltage between the cathode and anode is According to the invention 100 V to 500 V.
Beim Einspritzen des Precursors ist es vorteilhaft, wenn dieser mittels mehrerer gleichmäßig verteilter Düsen direkt in die Plasmazone über der zu beschichtenden Substratoberfläche eingelassen wird. Eine gleichmäßige Bewegung des Substrates in Beschichtungsrichtung mit konstanter Geschwindigkeit führt zu einer homogenen Schicht auf der Substratoberfläche.At the Injecting the precursor, it is advantageous if this means several evenly distributed nozzles is introduced directly into the plasma zone over the substrate surface to be coated. A uniform movement of the substrate in the coating direction with constant speed leads to a homogeneous Layer on the substrate surface.
Bei einer Ausführungsform wird dem Substrat der Entladungsstrom gepulst zugeführt. Dies ist beispielsweise vorteilhaft beim Abscheiden von elektrisch isolierenden Schichten. Auch das Anlegen einer Wechselspannung ist möglich. Je nach Anforderung bezüglich der elektrischen Eigenschaften der abzuscheidenden Schichten und der Schichtdicke wird eine Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 500 kHz gewählt.at According to one embodiment, the substrate is the discharge current pulsed supplied. This is advantageous, for example during the deposition of electrically insulating layers. That too Applying an AC voltage is possible. Depending on requirements with regard to the electrical properties of the deposited Layers and the layer thickness will be a frequency in the range of 10 kHz to 500 kHz selected.
Für die Entladung wird eine weitere Elektrode benötigt, die als Anode geschaltet wird. Als Anode kann beispielsweise eine metallische Vakuumkammerwand verwendet werden.For the discharge requires another electrode, the is switched as an anode. As an anode, for example, a metallic Vacuum chamber wall can be used.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist ein zu beschichtendes Substrat das gleiche elektrische Potential auf wie die Vakuumkammer. Daher ist es erforderlich eine separate Anode in der Vakuumkammer einzubringen. Die Anode wird dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass diese der zu beschichtenden Seite des Substrates gegenüber liegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anode topfförmig ausgebildet, wobei die Öffnung dem Substrat zugewandt ist. Anode und Substrat begrenzen auf diese Weise zumindest teilweise ein Volumen, in welchem der Einlassstutzen des Precursors endet. Die Grundfläche des „Anodentopfes" kann dabei jegliche runde, ovale oder auch eckige Form aufweisen.at an alternative embodiment has a to be coated Substrate the same electrical potential as the vacuum chamber. Therefore, it is necessary to have a separate anode in the vacuum chamber contribute. The anode is preferably arranged in such a way that this the opposite side of the substrate to be coated lies. In a preferred embodiment, the anode is cup-shaped, wherein the opening of the substrate is facing. Anode and substrate limit in this way at least partially a volume in which the inlet port of the precursor ends. The base of the "anode pot" can have any round, oval or square shape.
Um zu verhindern, dass die Magnetronentladung in unerwünschter Weise auf andere Bestandteile innerhalb der Vakuumkammer überspringt, ist eine elektrische Abschirmung vorteilhaft, welche haubenförmig ausgebildet die Anode umschließt. Die zum Substrat hin gerichtete Öffnung der haubenförmigen Abschirmung (auch Dunkelfeldabschirmung genannt) wird nahe an das Substrat herangezogen. Hierdurch wird auch ein partieller Überdruck des einströmenden Precursors im von Anode und Substrat begrenzten Volumen erzeugt. Der Spalt zwischen dem Substrat und der metallischen Abschirmung wird dabei so klein ausgelegt, dass das Plasma im von Anode und Substrat begrenzten Volumen konzentriert bleibt. Für eine wirksame Dunkelfeldabschirmung sollte der Spalt zwischen Substrat und Abschirmung einen Bereich von 1 mm bis 10 mm nicht überschreiten. Dieser Spalt kann jedoch beispielsweise dann größer ausgebildet werden, wenn zwischen Substrat und Abschirmung ein metallisches Blech oder ein Stapel voneinander beabstandeter metallischer Bleche, welche im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche verlaufen, angeordnet wird/werden. Dabei sollte jedoch auch der Abstand zwischen Abschirmung und benachbartem Blech, zwischen den einzelnen benachbarten Blechen und zwischen Substrat und benachbartem Blech nicht größer als jeweils 1 mm bis 10 mm sein. Auf diese Weise kann einerseits der Querschnitt vergrößert werden, durch den das Gas aus dem von Anode und Substrat begrenzten Volumen in den äußeren Bereich der Vakuumkammer strömen kann, andererseits wird verhindert, dass die Entladung aus dem von Abschirmung und Substrat begrenzten Volumen heraus brennt.Around to prevent the magnetron discharge in unwanted Way to other components within the vacuum chamber, is an electrical shield advantageous, which hood-shaped formed surrounds the anode. The towards the substrate directed opening of the hood-shaped shield (also called dark field shielding) is used close to the substrate. hereby will also be a partial overpressure of the incoming Precursors generated in anode and substrate limited volume. The gap between the substrate and the metallic shield becomes It is designed so small that the plasma in the anode and substrate limited volume remains concentrated. For an effective Dark field shielding should be the gap between substrate and shield do not exceed a range of 1 mm to 10 mm. This However, gap can be made larger, for example be when between substrate and shield a metallic Sheet metal or a stack of spaced metallic sheets, which are substantially parallel to the substrate surface run, is / are arranged. However, should also the Distance between the shield and adjacent plate, between the individual adjacent sheets and between substrate and adjacent Sheet not larger than 1 mm to 10 mm each be. In this way, on the one hand increases the cross section through which the gas is confined to that of the anode and substrate Volume in the outer area of the vacuum chamber on the other hand it prevents the discharge burns out of the limited volume of the shield and substrate.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Magnetron innerhalb der Vakuumkammer angeordnet, mittels dem ein Anteil des für die Schichtabscheidung benötigten Materials durch Zerstäuben eines Targets auf dem Magnetron bereitgestellt wird. Dabei ist eine Elektrode des Magnetrons zeitweise als Anode bezüglich der Substrat-Kathode geschaltet. Substrat und Elektrode werden periodisch abwechselnd als Kathode bzw. Anode geschaltet. Für das Zerstäuben des Targets ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zum Precursor noch ein Sputtergas in die Vakuumkammer eingelassen wird.In a further embodiment, a magnetron is arranged within the vacuum chamber, by means of which a portion of the material required for the layer deposition by sputtering a Targets are provided on the magnetron. In this case, an electrode of the magnetron is temporarily connected as an anode with respect to the substrate cathode. Substrate and electrode are periodically switched alternately as cathode or anode. For sputtering of the target, it is advantageous if, in addition to the precursor, a sputtering gas is admitted into the vacuum chamber.
Eine weitere Ausführungsform ergibt sich, wenn die für die Magnetronentladung auf dem Substrat erforderliche Anode durch ein heißes verdampfendes Material gebildet wird. Das Verdampfungsmaterial wird hierbei in einem Tiegel gelagert und als Anode der Magnetronentladung geschaltet. Als Energiequelle für das Verdampfen wird vorzugsweise ein Elektronenstrahl verwendet, der von einer Elektronenkanone generiert wird. Je nach Verdampfungsmaterial kann die Energiequelle für die Verdampfung auch eine andere sein, wie beispielsweise ein Strahlungsheizer oder Induktionsverdampfer. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Anode durch die Verdampfung stets von Ablagerungen des CVD-Prozesses freigehalten wird und dem Prozess über eine lange Zeit eine metallische Oberfläche mit gutem Kontakt zum Plasma anbietet. Auf diese Art und Weise wird Material vom Verdampfungsgut zusätzlich in die abzuscheidende Schicht eingebaut. Diese Ausführungsform eignet sich daher auch besonders zum Abscheiden von elektrisch isolierenden Schichten.A Another embodiment results when the for the magnetron discharge on the substrate required anode a hot evaporating material is formed. The evaporation material is stored in a crucible and as the anode of the magnetron discharge connected. As an energy source for the evaporation is preferably used an electron beam generated by an electron gun becomes. Depending on the evaporation material, the energy source for the evaporation also be another, such as a radiant heater or induction evaporator. The advantage of this embodiment is that the anode by evaporation is always from deposits of the CVD process and the process over a long time a metallic surface with good contact offers to the plasma. In this way, material from the evaporation material additionally installed in the layer to be deposited. These Embodiment is therefore particularly suitable for deposition of electrically insulating layers.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The Invention will be described below with reference to preferred embodiments explained in more detail.
Die Fig. zeigen:The Fig. Show:
In
Damit
sich das Plasma hauptsächlich in dem von Anode
Mittels der beschriebenen Einrichtung konnte eine transparente Schicht abgeschieden werden, welche vorrangig die Elemente Si, C und O umfasst, die eine Härte von 18 GPa aufweist und bei der das Verhältnis von Sauerstoff und Silizium eins zu drei bezüglich derer Atomprozente beträgt.through The described device was able to deposit a transparent layer which primarily comprises the elements Si, C and O, which is a Hardness of 18 GPa and at the ratio of oxygen and silicon one to three relative to those Atomic percent.
Eine
alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung
Auch
hier ist, wie bereits zu
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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