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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten
mit einer evakuierbaren Vakuumkammer mit kühlbaren Außenwandungen, wenigstens einem
innerhalb der Vakuumkammer angeordneten, rotier- und insbesondere
auswechselbar gelagerten Substratträger und zumindest einer zum Substratträger gerichteten
Verdampferquelle.
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Beschichtungsvorrichtungen
dieser Art sind bekannt und werden beispielsweise dazu verwendet, Schichten
auf Werkzeuge aufzubringen, die deren Eigenschaften und Lebensdauer
wesentlich verbessern.
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Mit
diesen bekannten Vorrichtungen bereitet es jedoch Schwierigkeiten,
eine eindeutig reproduzierbare Abscheidung von Schichten hoher und höchster Qualität zu gewährleisten.
Die Ursachen für diese
unbefriedigenden Ergebnisse sind vielschichtig und konnten bisher
nicht beseitigt werden. Nachteilig bei den bekannten, insbesondere
bei den nach der Arc-Technologie
arbeitenden Vorrichtungen ist ferner, daß aufgrund unvermeidbarer Anlagen-Reinigungsvorgänge nicht
nur störend
hohe Reinigungskosten, sondern auch teure Maschinenstillstandzeiten
und damit Produktivitätsverluste
in Kauf genommen werden müssen.
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Aus
der
DE 38 29 260 A1 ist
eine Beschichtungskammer mit mindestens einer durch einen Lichtbogen
verzehrbaren Kathode und Einrichtungen zur Aufnahme von Gegenständen bekannt,
die durch Niederschlag des mit einer Gasatmosphäre in der Kammer reagierten,
in den Plasmazustand überführten Kathodenmaterials
beschichtet werden. Dabei ist in einem Zwischenraum zwischen der
Kathode und den Gegenständen
ein Schirm angeordnet, der aus dem Zwischenraum entfernbar ist.
Dadurch wird es möglich,
sich während
der Aufheizphase der indirekten Beheizung der Substrate zu bedienen
und diese gleichzeitig vor dem Niederschlag von Tröpfchen des Kathodenmaterials
zu schützen,
während
der Reaktionsphase jedoch den direkten Weg von den Kathoden zu den
Substraten freizugeben.
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Aus
der WO 92/14859 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung von Droplets
bei der Beschichtung von Oberflächen
mit Hartstoffen nach dem PVD-Verfahren bekannt, die eine doppelwandige, wassergekühlte Kammer
aufweist, in der eine durch Heizschlangen realisierte Strahlungsheizung
im Bereich der Innenwand der Kammer vorgesehen ist. Um eine Aufheizung
der Innenwand der Reaktionskammer zu vermeiden, sind zwischen den
Heizelementen und der Innenwand Reflektoren vorgesehen. Die Strahlungsheizung
dient dabei ausschliesslich zur Erwärmung der zu beschichtenden
Gegenstände bzw.
der Oberfläche
der zu beschichtenden Gegenstände
vor Beginn der Beschichtung.
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Aus
der
EP 0 489 659 A1 ist
eine Beschichtungvorrichtung bekannt, bei der innerhalb einer geschlossenen
Aussenkammer eine Innenkammer mit vergleichsweise grosser Wandungsstärke vorgesehen
ist, die aus einem thermisch isolierenden Material besteht. Mit
Abstand zu den Wandungen dieser Innenkammer sind Heizwiderstände angeordnet,
die es gestatten, die zu beschichtenden Teile auf Temperaturen zwischen
400°C und
1300°C aufzuheizen.
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Aus
der
DE 3 930 832 A1 ist
eine Vorrichtung bekannt, die – gemäss dem Oberbegriff
von Anspruch 1- den nächstliegenden
Stand der Technik darstellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen
Art zu schaffen, die es bei vergleichsweise einfachem Aufbau ermöglicht, qualitativ
hochwertige, möglichst
kompakte und spannungsarme Beschichtungen bei hoher Produktivität zu erreichen.
Ferner sollen aufwändige
Reinigungsarbeiten im Anlageinneren vermieden und die geforderte
Reproduzierbarkeit der Beschichtungen gewährleistet werden können.
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Gelöst wird
diese Aufgabe nach der Erfindung im wesentlichen dadurch, dass in
der Vakuumkammer mit Abstand von deren kühlbaren Aussenwandungen und
unter Ausbildung eines isolierenden, plasmafreien Zwischenraums
eine zumindest im wesentlichen in sich geschlossene Innenkammer
vorgesehen ist, die von Heiz- und Wandungssektoren und zumindest
einer integrier ten Verdampferquelle begrenzt ist und einen den Substratträger aufnehmenden
isothermen Beschichtungsraum bildet.
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Durch
die Schaffung einer von den gekühlten Außenwandungen
der Vakuumkammer durch einen isolierenden, plasmafreien Zwischenraum
getrennten Innenkammer wird es möglich,
die Beschichtungsvorgänge
in einem isothermen Beschichtungs- bzw. Plasmaraum durchzuführen, das
heißt
in einem Raum, in dem sämtliche
Teile, das heißt
auch größere und
kleinere zu beschichtende Gegenstände ebenso wie die diesen Raum
begrenzenden Wandungen praktisch auf gleicher Temperatur sind und somit
in diesem die gleichmäßige Plasmaverteilung fördernden
isothermen Raum kein störender
Temperaturgradient vorliegt. Ein ausgeprägter Temperaturgradient tritt
erst in dem plasmafreien Zwischenraum zwischen Innenkammer und den
Außenwandungen der
Vakuumkammer auf.
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Das
Vorhandensein eines isothermen Plasmaraums wirkt sich auf die Beschichtungsqualität sowie
auf die Stabilität
des darin durchgeführten
Beschichtungsprozesses sehr positiv aus.
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Von
wesentlicher Bedeutung ist ferner, daß an den gekühlten Außenwandungen
der Vakuumkammer keinerlei Abscheideeffekte auftreten und damit
auch die bei herkömmlichen
Anlagen aufwendigen Reinigungsvorgänge im Anlageninnenraum entfallen.
Die sich in der Innenkammer in Form von Hartstoff-Festpartikeln
bildenden beschichteten Stellen platzen von Zeit zu Zeit ab und
können
dann problemlos zum Beispiel mittels eines Staubsaugers abgesaugt
werden. Dieser erfindungsgemäß erreichte Selbstreinigungseffekt
führt zu
einer wesentlichen Produktivitätssteigerung,
da teure Maschinenstillstandszeiten vermieden werden können.
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Die
der optisch praktisch dicht ausgebildeten Innenkammer zugeordneten
bzw. Wandungen dieser Innenkammer bildenden Heizsektoren sind so
dimensioniert, daß die
Aufheizung der Substrate auf die Solltemperatur nahezu ausschließlich durch die erzeugte
Strahlungswärme
erreicht wird, wobei der Innenraum der Kammer sehr schnell auf hohe
Temperatur gebracht werden kann, da die Wandungen nur geringe Wärmekapazität besitzen
und vor allem nicht in Kontakt mit den gekühlten Aussenwandungen stehen,
sondern von diesen Aussenwandungen durch den aufgrund der Evakuierung
sehr ausgeprägt
isolierenden Zwischenraum getrennt sind.
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Die
Wandungen der Innenkammer liegen gemäss der vorliegenden Erfindung
an einer Bias-Spannung,
um gezielt einen Ionen-Platiereffekt zu erreichen und auf diese
Weise sicherzustellen, dass unter Vermeidung jeglicher Staubbildung
auf den Innenkammerwänden
eine feste Abscheidung erhalten wird, die nach einer gewissen maximalen
Schichtdicke automatisch abplatzt und damit problemfrei entfernt
werden kann.
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Als
Substratträger
wird vorzugsweise ein schnell auswechselbarer, in der Innenkammer
gelagerter Drehteller mit einer Mehrzahl von darauf ebenfalls drehbar
gelagerten und angetriebenen Satellitentellern für Werkstückhalterungen verwendet, so dass
sich eine Dreifachdrehung der Werkstücke erzielen lässt.
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Der
Innenkammer sind bevorzugt mehrere, sich über die Kammerhöhe erstreckende,
vertikal angeordnete Verdampferquellen zugeordnet, die über den
Umfang des Drehtellers verteilt sind. Durch das Zusammenspiel der
Strahlungsbereiche dieser Verdampferquellen und die Ausgestaltung
der Substratträgerandordnung
kann die Forderung erfüllt
werden, dass jedes sich in der Innenkammer befindende, mehrfach
rotierende Substrat an jedem Punkt seiner zu beschichtenden Oberfläche zumindest
im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt Sichtkontakt zu mindestens einer
der Verdampferquellen besitzt.
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Durch
diese Massnahme wird erreicht, dass sich insbesondere im Zentralbereich
des Substratträgers
keine unerwünschten
Plasma-CVD-Reaktionen oder Plasma-CVD-ähnliche Reaktionen oder andere Plasma-Inhomogenitäten oder
Plasma-Störungen einstel len
können
und auch kein störender
Hohlkathodeneffekt auftreten kann. Es wird vielmehr eine ausgezeichnete
Plasmahomogenität
im gesamten Innenkammerraum gewährleistet.
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Besonders
günstig
ist es, eine Substratträgeranordnung
aus einem Drehteller und drei darauf drehbar gelagerten Satellitentellern
zu verwenden, da mit einer derartigen Konfiguration ein Optimum hinsichtlich
der Beladungsmöglichkeiten
einerseits und der Beschichtungsgleichmäßigkeit andererseits erreichbar
ist, da bei dieser Konfiguration im Innenbereich des Substratträgers kein
feldfreier Raum vorliegt, in dem sich undefinierte Plasmabedingungen einstellen
könnten.
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Für die praktische
Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist es günstig, wenn
die Verdampferquellen in den stabilen Außenwandungen der Vakuumkammern
gehaltert sind und sich durch den eine Isolierhülle bildenden Zwischenraum
in die Innenkammer erstrecken bzw. mit ihren Targetflächen Begrenzungsflächen der
Innenkammer bilden. Auf diese Weise läßt sich auch ein einfaches Öffnen der
Vorrichtung zu Beschickungszwecken erzielen, da ein großflächiges Aufschwenken
eines Außenwandungsbereichs
zusammen mit einem zugeordneten Bereich der Wandung der Innenkammer
erfolgen kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in
Unteransprüchen
angegeben und werden im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Querschnittdarstellung zur Erläuterung des Grundkonzepts des
Aufbaus einer Vorrichtung nach der Erfindung,
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2 eine
schematische Darstellung einer möglichen
Ausführungsform
einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem drei Satellitentel ler
aufweisenden Drehwagen, und
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3 eine
der 2 entsprechende Darstellung mit einem Drehwagen
mit sechs Satellitentellern.
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1 zeigt
in schematischer Weise den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung,
die aus einer Vakuumkammer 1 und einer bezüglich der
gekühlten
Außenwandungen 2, 3 der
Vakuumkammer 1 beabstandeten Innenkammer 5 zur
Aufnahme eines oder mehrerer Substratträger besteht, wobei in 1 als
Substratträger
ein Drehteller 9 schematisch dargestellt ist.
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Die
Wände 2 der
Vakuumkammer 1 sind zum Teil von Front- und Seitentüren 3 gebildet,
und die Vakuumkammer 1 ist über einen Anschluß 13 mit
einer entsprechenden Vakuumquelle verbindbar, so daß im Innenraum
der Vakuumkammer 1 und damit auch im eigentlichen Beschichtungsraum 12 in
der Innenkammer 5 das jeweils erforderliche Vakuum erzeugt
werden kann.
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Die
Innenkammer 5, die bezüglich
der Vakuumkammer 1 zumindest im wesentlichen optisch dicht
ausgeführt
ist, wird begrenzt von Verdampferquellen 6, Heizsektoren 7 und
Wandungssektoren 8, wobei die Anordnung so getroffen sein
kann, daß ein mehreckiger
oder im wesentlichen zylindrischer Beschichtungsraum 12 entsteht.
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Die
Heizsektoren 7 sind als leistungsstarke Strahlungswärmequellen
ausgebildet, und die Zahl der jeweils verwendeten Heizsektoren 7 sowie
der zum Einsatz kommenden Strahlungsquellen 6 kann je nach
dem vorgesehenen Einsatzzweck der Vorrichtung gewählt werden.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 1 sind zwei Paare von sich in einer Rechteckanordnung
gegenüberliegenden
Heizsektoren 7 vorgesehen, und in den Eckbereichen sind
Verdampferquellen 6 angeordnet, die sich ebenfalls paarweise
gegenüberliegen
und sich über
die Höhe
der Innenkammer 5 erstrecken.
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Der
zentrisch in der Innenkammer 5 angeordnete Substratträger 9 besteht
aus einem im einzelnen noch zu erläuternden Drehwagen, der schnell auswechselbar
gelagert ist, wozu die Vorrichtung vorzugsweise entsprechend aufschwenkbar
ausgebildet ist.
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Die
Beladung des Substratträgers 9 erfolgt jeweils
außerhalb
der Vorrichtung, das heißt
es kann jeweils ein Substratträger
mit beschichteten Werkzeugen gegen einen Substratträger mit
unbeschichteten Werkzeugen in Minutenschnelle ausgetauscht werden,
so daß bei
dadurch gewährleisteter
Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit der Anlage dennoch zur Beladung der Werkzeuge
außerhalb
der Vorrichtung genügend
Zeit zur Verfügung
steht.
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Durch
die Schaffung einer von den gekühlten Außenwandungen 2, 3 der
Vakuumkammer 1 beabstandeten und durch einen isolierenden,
plasmafreien Zwischenraum von dieser Außenkammer 1 getrennten
Innenkammer 5 gelingt es in Verbindung mit den der Innenkammer 5 zugeordneten
Heizsegmenten 7, einen Raum 12 zu schaffen, auf
den das Plasma beschränkt
ist und der einen isothermen Beschichtungs- bildet, der sehr schnell
aufgeheizt und dabei desorbiert werden kann, wobei außerdem der Vorteil
vorhanden ist, daß die
Temperaturkontrolle in diesem isothermen Raum 12 vergleichsweise
einfach und sicher gewährleistet
werden kann. Eine starke Strahlungsheizung und deren sichere Kontrolle
ist für
den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
von wesentlicher Bedeutung.
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Die
Innenkammerwandungen können
an eine Bias-Spannung angelegt sein, die sicherstellt, daß sich an
den Kammerwandungen kompakte Hartstoffschichten abscheiden, deren
problemfreie Entfernung beispielsweise gezielt dadurch erfolgen kann,
daß die
Vorrichtung über
einige Stunden der Atmosphäre
ausgesetzt wird, wobei Wasserdampf und andere Luftgase in die Schichten
eindringen und sie zum Abplatzen bringen und damit eine Art von Selbstreinigungseffekt
erzielt wird.
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Praktisch
führt dieser
Sachverhalt dazu, daß eine
große
Anzahl von Chargen ohne jegliche Zwischenreinigung beschichtet werden
kann und damit bei herkömmlichen
Anlagen unvermeidbare Reinigungskosten und teure Maschinenstillstandszeiten entfallen.
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Als
Verdampferquellen 6 werden bevorzugt solche Quellen verwendet,
wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift 43 29 155 beschrieben
sind.
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Solche
Magnetfeld-Kathoden besitzen ein flächig ausgebildetes Target mit
einer dem Targetzentrum zugeordneten, innenliegenden Ringspule und
zumindest einer dem Targetumfangsbereich zugeordneten außenliegenden
Ringspule, wobei die innenliegende Ringspule einen im Targetzentrum
angeordneten Permanentmagneten umschließt und zusammen mit diesem
Permanentmagneten einen Feldlinienkonzentrator bildet. Eine derartige
Magnetfeld-Kathode läßt sich
problemfrei in Form eines Rechtecks ausbilden, das sich über die
Höhe der
Beschichtungskammer 12 erstreckt und eine zur Höhe vergleichsweise
geringe Breite besitzt.
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Es
ist auch möglich,
derartige Verdampferquellen 6 im Beschichtungsraum 12 horizontal
und insbesondere auch deckenseitig anzuordnen, wenn dies für bestimmte
Beschichtungsaufgaben zu Vorteilen führt.
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Der
Abstand der Verdampferquellen 6 zu den auf dem Substratträger 9 gehalterten
Substraten sollte vorzugsweise mindestens etwa 150 mm betragen, um
sicherzustellen, daß lokale
elektrische Felder nahe an den Werkzeugen die Bahn der Ionen praktisch
nicht mehr verändern.
Dadurch kann erreicht werden, daß die Ionenflußdichte
auf allen Flächen des
Substrats gleichmäßig ist
und lokale thermische Überbelastungen,
wie sie vor allem an Spitzen auftreten könnten, und andere Oberflächenmodifikationen verhindert
werden.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer möglichen konkreten Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung, wobei in diesem Ausführungsbeispiel
die Vakuumkammer 1 einen oktoederförmigen Querschnitt besitzt
und die den isothermen Beschichtungsraum 12 umschließende Innenkammer 5 formmäßig entsprechend
angepaßt
ist.
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Die
Verdampferquellen 6 sind dabei in den Außenwandungen 2 gehaltert
und damit in vorteilhafter Weise von außen her zugänglich. Sie erstrecken sich über den
isolierenden Zwischenraum 4 bis in die Innenkammer 5 und
bilden mit ihren Targetflächen gleichzeitig
Begrenzungsflächen
dieser Innenkammer 5. Es sind in diesem Ausführungsbeispiel
zwei Paare von Verdampferquellen 6 vorgesehen, wobei sich
die einzelnen Verdampferquellen 6 eines Paares diametral
gegenüberliegen.
Zwischen jeweils zwei Verdampferquellen 6 erstreckt sich
jeweils ein Heizsektor 7, dessen Größe in Abhängigkeit von den in der Praxis
gegebenen Forderungen gewählt
werden kann und der entweder im wesentlichen die gesamte Fläche der
jeweiligen Verbindungswand zwischen zwei Verdampferquellen 6 einnehmen
oder einen Teil dieser Verbindungsfläche bilden kann.
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Im
Beschichtungsraum 12 ist ein Substratträger in Form eines Drehtellers 9 und
drei darauf drehbar angeordneten Satellitentellern 10 vorgesehen, wobei
diese Satellitenteller 10 um 120° gegeneinander versetzt angebracht
sind und die eigentlichen Werkstückträger bilden.
Diese Substratträgeranordnung
ist so ausgebildet, daß sie
in allen Richtungen für
das Plasma bestmöglich
durchlässig
ist, um Abschirmeffekte auszuschalten. Die Verwendung von drei Satellitentellern
in der gezeigten Weise ist besonders vorteilhaft, da bei dieser
Anordnung im Mittelbereich kein feldfreier Raum entsteht, in dem
sich undefinierte Plasmabedingungen und gegebenenfalls störende Hohlkathodeneffekte
ausbilden könnten.
Die Drehtellermitte ist demgemäß offen,
wodurch sichergestellt ist, daß zum
einen bereits während
der Aufheizung des Beschichtungsraums 12 durch Heizflächen 7 und
zum anderen vor allem während
der nachfolgenden Ätz-
und Beschichtungsvorgänge jedes
auf den Satellitentellern angeordnete Werkzeug an jedem Punkt seiner
Oberfläche
möglichst
zu jeder Zeit Sichtkontakt zu einer der Strahlungs- und insbesondere
der Verdampferquellen besitzt, wobei dieses Kriterium insbesondere
bei den Beschichtungsvorgängen
realisiert sein muß,
bei den Aufheizvorgängen
aber ebenfalls von Vorteil ist.
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Um
dieses Kriterium während
der Ätz-
und Beschichtungsvorgänge
gewährleisten
zu können, wird
die Vorrichtung vorzugsweise stets mit einer Mehrzahl von Verdampfern 6 betrieben,
die sich im wesentlichen über
die Höhe
des Beschichtungsraums 12 erstrecken, und es wird auch
darauf geachtet, daß eine
möglichst
schnelle Rotation von Drehteller 9 und Satellitentellern 10 realisiert
wird.
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Der
Antrieb der Substratträgereinheit
erfolgt beispielsweise derart, daß sich die Satellitenteller 10 während einer
Drehung des Drehtellers 9 etwa drei- bis fünfmal um
ihre Achse drehen, wobei die auf den Satellitentellern 10 vorgesehenen
Werkzeugträger wiederum
bei jeder Drehung des zugehörigen
Satellitentellers über
einen bestimmten Winkelbereich gedreht werden, so daß sich insgesamt
eine Dreifachdrehung der zu beschichtenden Substrate ergibt.
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3 zeigt
eine Modifikation der Vorrichtung nach 2, wobei
der Drehteller 9 mit sechs gleichmäßig über seinen Umfang verteilten
Satellitentellern 10 versehen ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann
durch geeignete Ausgestaltung und Dimensionierung der Satellitenteller 10,
für die
in 3 der maximal mögliche Durchmesser zeichnerisch
dargestellt ist, das Kriterium erfüllt werden, daß jedes Werkzeug
an jedem Punkt seiner Oberfläche
praktisch zu jeder Zeit Sichtkontakt zu mindestens einer der Verdampferquellen 6 besitzt.
In Abhängigkeit
von den jeweiligen Beschichtungsaufgaben wird der Durchmesser der
Satellitenteller 10 und auch die Anzahl der jeweils verwendeten
Satellitenteller gewählt, wobei
stets darauf geachtet wird, daß das
Sichtkontakt-Kriterium erfüllt
werden kann.
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Bei
der in 3 konkrekt gezeigten Ausführungsvariante mit sechs Satellitentellern 10,
die umfangsmäßig nahezu
aneinandergrenzen, kann ein feldarmer Innenbereich 14 innerhalb
der Satellitenteller 10 entstehen, und in diesem Innenbereich 14 wird zum
Zwecke der Vermeidung unerwünschter
Plasma-CVD-Reaktionen oder Plasma-CVD-ähnlicher Reaktionen oder anderer
Plasma-Inhomogenitäten oder
Plasma-Störungen
vorzugsweise zumindest eine weitere Verdampferquelle vorgesehen,
die gegebenenfalls allseitig wirksam ist und relativ zu den rotierenden
Teilen feststehend gehaltert sein kann.
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- 1
- Vakuumkammer
- 2
- Außenwandung
- 3
- Türen
- 4
- Isolierender
Zwischenraum
- 5
- Innenkammer
- 6
- Verdampferquelle
- 7
- Heizsektor
- 8
- Wandungssektor
- 9
- Drehteller
- 10
- Satellitenteller
- 11
- Strahlungsbereich
- 12
- Isothermer
Beschichtungsraum
- 13
- Vakuumanschluß
- 14
- Innenbereich