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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumbeschichtungsanlage zur Beschichtung
von Substraten mit einer ersten Prozesskammer einschließlich einer
ersten Prozessstation, die eine Beschichtungsquelle enthält, einer
Ein- und Ausgabeschleuse und einem Vakuumroboter mit mindestens
einem ansteuerbaren mehrgliedrigen Faltarm zur Bewegung des Substrats,
der in der ersten Prozesskammer angeordnet ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten
bei dem ein zu beschichtendes Substrat in einer Relativbewegung
des Substrates zur Beschichtungsquelle während des Beschichtungsprozesses
bewegt wird.
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In
der industriellen Fertigung sind sowohl In-Line-Beschichtungsanlagen wie auch kompakte Cluster-Beschichtungsanlagen
dieser Art zum Beispiel für
die PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) bekannt. Mit diesem
PVD-Verfahren werden keramische
oder andere Hartstoff-Schichten auf ein metallisches Substrat aufgedampft,
wobei das Schichtmaterial in einem physikalischen Prozess unter
Vakuumbedingungen aus einem Target einer Magnetron-Sputterquelle
herausgelöst
wird.
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Bei
den In-Line-PVD-Beschichtungsanlagen sind die Behand lungseinheiten,
wie zum Beispiel eine Eingabeschleuse, eine oder mehrere Prozesskammern
mit einer oder mehreren Prozessstationen und einer Ausgabeschleuse
in Bewegungsrichtung des Substrates nacheinander angeordnet. Das
Antriebsmittel für
die Bewegung der Substrate ist meist ein Transportrollenbandsystem,
welches durch alle Behandlungseinheiten hindurch führt.
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Die
nacheinander bestückten
Substrate passieren die Behandlungseinheiten der Beschichtungsanlage
geradlinig und in einheitlicher Geschwindigkeit, was zu einer sehr
guten Schichtenhomogenität führt. Es
ist jedoch apparatetechnisch sehr aufwendig und technologisch schwierig,
Variationen in den Schichteigenschaften bei Substraten mit Mehrfachschichten
zu realisieren. So ist es für
die Einstellung einer besonders großen Schichtdicke von einem
Material erforderlich, geringe Transportbandgeschwindigkeiten zu
fahren und/oder mehrere gleichartige Sputterquellen oder gar Beschichtungskammern
hintereinander zu schalten. An den übrigen aktiven oder inaktiven
Prozessstationen, kann es dabei zu unnötig langen Verweilzeiten der
Substrate kommen. Die Realisierung verschiedener Schichteigenschaften
mit ein und derselben Inline-Beschichtungsanlage ist daher nicht
immer wirtschaftlich.
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Die
als Cluster ausgeführten
PVD-Beschichtungsanlagen besitzen ein zentrale Handlerkammer und
daran angeflanscht mindestens eine Prozesskammer und eine Substratschleuse.
Mittels eines sogenannten Handlers, einem Vakuumroboter, der in der
zentralen Vakuumkammer positioniert ist, werden zu beschichtende
Teile individuell entsprechend des programmierten Beschichtungsablaufes
von der Schleuse zu der jeweiligen Prozesskammer transportiert und
an ein weiteres Antriebssystem übergeben
und umgekehrt. Innerhalb der Prozesskammer werden diese Substrate
mittels des weiteren Antriebes relativ zu den Targets der Sputterquellen
bewegt, um eine einzustellende Schichteigenschaft, insbesondere
eine gleichmäßige Schichtdicke
zu erzielen. Mit der programmierbaren Zuordnung der einzelnen Substrate
zu den verschiedenen Prozesskammern in der Reihenfolge und Verweildauer
ergibt sich eine Vielzahl an Beschichtungsvariationen. Die Relativbewegung
zwischen Substrat und Sputterquelle in der jeweiligen Prozesskammer
wird in der Regel durch eine Drehbewegung eines angetriebenen Drehtellers,
auf dem die Substrate angeordnet sind, realisiert. Bei einem abwechselnden
Betrieb mehrerer Sputterquellen in einer Prozesskammer werden weitere
mechanische Antriebe zur Bewegung von Blenden, z. B. Drehblenden,
zwecks Abschirmung der inaktiven Sputterquellen erforderlich, um
deren Kontamination mit Sputtermaterial zu vermeiden.
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Nachteilig
an diesen Cluster Beschichtungsanlagen ist der apparatetechnische
Aufwand und Platzbedarf für
die spezifischen Antriebe einerseits für den Substrattransport und
andererseits für
die Relativbewegung der Substrate an den jeweiligen Sputterquellen
und des weiteren gegebenenfalls für die Bewegung der Abschirmbleche.
Darüber
hinaus erzeugt die Drehbewegung der Substrate relativ zu den Sputterquellen
Probleme bei der Homogenität
der Schichtdickenverteilung auf den Substraten. Der zentrisch angetriebene
Drehteller erzeugt eine kreisförmige
Bewegung, mit der die Substrate die Targetflächen mehrerer strahlenförmig um
den Drehpunkt des Drehtellers angeordneter Sputterquellen in einem
bestimmten Abstand überstreichen.
Dabei entsteht eine Abhängigkeit
der Schichtdickenverteilung auf dem Substrat vom Radius der Rotationsbewegung
jeden Flächenpunktes
des Substrates. Diese zwar geringe Inhomogenität in der Schichtdickenverteilung
genügt
jedoch heutigen Qualitätsansprüchen häufig nicht
mehr. Darüber
hinaus werden gewöhnlich
Beschichtungsquellen mit einer runden Targetfläche im Rotationsfeld des Drehtellers
angeordnet, um größere Leerräume zwischen
den Beschichtungsquellen, die bei der strahlenförmigen Anordnung von Beschichtungsquellen
mit rechteckiger Targetfläche entstehen würden, platzsparend
zu vermeiden. Damit geht jedoch einher, dass bedingt durch die runden Abmaße der Targets
und die geringere Sputterrate im Außenkreis der Targets die Schichtdickenverteilung auf
den Substraten zusätzlich
ungünstig
beeinflusst wird.
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In
der
DE 198 35 154
A1 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten
im Vakuum beschrieben, welche einen rotierbaren Substratträger, mindestens
eine Beschichtungsstation sowie eine Belade- und Entladestation
im gattungsbildenden Merkmal aufweist. Die kennzeichnenden Merkmale dieser
Erfindung bestehen darin, dass zwei benachbarte Vakuumkammern vorgesehen
sind, wobei in jeder der Kammern ein rotierender Substratträger oder Transportarm
angeordnet ist.
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Der
Nachteil der
DE 198
35 154 A1 besteht darin, dass es zu Problemen bei der Homogenität der Schichtdickenverteilung
auf den Substraten, bedingt durch die kreisförmige Bewegung der Substrate über die
Targetflächen,
kommt. Weiterhin nachteilig ist, dass der apparatetechnische Aufwand
und Platzbedarf für
die spezifischen Antriebe einerseits für den Substrattransport und
andererseits für
die Relativbewegung der Substrate an den jeweiligen Sputterquellen
und des weiteren gegebenenfalls für die Bewegung der notwendigen
Abschirmbleche hoch ist.
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In
der
US 5 215 789 A ist
eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung beschrieben, die auf einen zentralen
Raum als Transferraum zu einzelnen abgeschlossenen Prozesskammern
verzichtet, indem in der Prozesskammer ein als Roboter wirkender
drehbarer Substrathalter die Substrate von und zu der Ein- und Ausgabestation
sowie den einzelnen Beschichtungsstationen transportiert.
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Aus
der
US 5 314 538 A ist
ebenfalls eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung bekannt, welche einen
in der Prozesskammer angeordneten drehbaren Substrathalter, welcher
die Substrate von und zu der Ein- und Ausgabestation sowie den einzelnen
Beschichtungsstationen transportiert, aufweist.
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Die
Nachteile beider Realisierungen sind einerseits die eingeschränkte Form
der Bewegung der Substrate auf einer Kreisbahn und andererseits
die starre Koppelung aller Substrate auf dem Substrathalter, wodurch
bei einer Bewegung eines Substrates alle anderen Substrate mit bewegt
werden.
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Aus
der
US 2002/0000194
A1 ist eine Cluster-Anlage bekannt, welche aus einer Hochvakuumkammer
und mindestens zwei Beladestationen besteht, wobei die Beladestationen
durch jeweils einen Verschluss von der Hochvakuumkammer strömungsmäßig getrennt
werden können,
die Anordnung umfasst weiterhin eine Vakuumpumpe, die an die Hochvakuumkammer
angeschlossen ist sowie eine Wasserpumpe und ein Kühlgerät. In jeder
Beladestation sind eine Kühlanordnung
sowie eine Heizanordnung, welche beispielsweise durch Hitzelampen
realisiert wird, angeordnet. Somit ist es möglich, eine Verkürzung der
Bearbeitungszeit eines Wafers dadurch zu realisieren, dass Kühl- und/oder Erwärmungsprozesse,
welche beispielsweise zum Entgasen der Wafer benötigt werden, bereits in den
Beladestationen und nicht jedoch in der Hochvakuumkammer durchgeführt werden.
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Neben
den bereits erwähnten
Möglichkeiten der
Erwärmung
bzw. Abkühlung
der Wafer ist in der
US
2002/0000194 A1 lediglich die Möglichkeit offenbart, mittels
der Station 36, welche innerhalb der Hochvakuumkammer angeordnet
ist, einen Ätzprozess
aber keine Vakuumbeschichtungsprozess auszuführen. Der Erfindung liegt daher
die Aufgabe zugrunde bei einer Vakuumbeschichtungsanlage zur Beschichtung
von Substraten den apparatetechnische Aufwand und den Platzbedarf
für den
Antrieb der Substrate und der Abschirmbleche zu verringern und gleichzeitig
günstigere
Bewegungsabläufe
für eine
verbesserte Schichtenvariation und Schichtqualität zu gestalten.
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Die
Aufgabe wird anordnungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Faltarm mit dem aufgenommenen Substrat zur Prozessstation,
der Ein- und Ausgabeschleuse und während des Beschichtungsprozesses
relativ zu der Beschichtungsquelle bewegbar ist.
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Der
erfindungsgemäße Vakuumroboter übernimmt
neben der Funktion, die Substrate zwischen der Schleuse und der
Prozessstation zu bewegen, die Erzeugung der Relativbewegung des
Substrates in Beziehung zu der Beschichtungsquelle. Damit ist es
möglich,
die gesonderten Antriebe für
die Relativbewegung der Substrate in den Prozesskammern der Cluster-Beschichtungsanlagen
einzusparen. Zum Schutze des Vakuumroboters vor Kontamination mit
Beschichtungsmaterial werden dazu dessen Bestandteile mit Schutzblechen
ausgestattet. Damit wird zum einen die Beschichtungsanlage gegenüber den
Cluster-Beschichtungsanlagen wesentlich kompakter und wegen der
geringeren mechanischen Antriebssysteme weniger störanfällig. Zum
anderen können
die Substrate im Vergleich zu den Substraten in den In-Line-Beschichtungsanlagen
individueller behandelt werden. Die ansteuerbare Führung des
Roboterarmes mit dem daran befestigten Substrat kann neben kreisförmigen Bewegungen
auch lineare Bewegungen des Substrates beschreiben, so dass die
Relativbewegung des Substrates zur Beschichtungsquelle keine solche
rotationsabhängige Abweichungen
wie bei der Cluster-Beschichtungsanlage erfährt. Im Ergebnis dieser Bewegungen
des erfindungsgemäßen Vakuumroboters
und seiner Anordnung werden die verschiedensten homogenen Schichtdicken
von hoher Qualität
erzielt.
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Es
ist vorgesehen, dass der Vakuumroboter mindestens einen ansteuerbaren
mehrgliedrigen Faltarm aufweist.
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Damit
kann insbesondere auch die lineare Bewegung des Vakuumroboterarmes
mit dem daran gehaltenen Substrat in allen Koordinaten und zu nahezu
allen Punkten der Vakuumkammer realisiert werden. Dies erlaubt neben
einer entfernten Anordnung von Beschichtungsquellen in gegebenenfalls ange flanschten
Prozesskammern gleichzeitig auch eine Anordnung von Beschichtungsquellen
innerhalb der zentralen Prozesskammer nahe dem zentralen Standort
des Vakuumroboters und in jeglicher Ausrichtung, so dass die Vakuumbeschichtungsanlage an
Variabilität
und Kompaktheit gewinnt. In einer Variation der erfindungsgemäßen Vakuumbeschichtungsanlage
werden die Bewegungsabläufe
mehrerer Substrate durch die gleichzeitige Verwendung zwei oder
mehrere mehrgliedrige Vakuumroboterarme angesteuert, so dass mehrere
Substratbehandlungsprozesse gleichzeitig an verschiedenen Prozessorten
in der Vakuumbeschichtungsanlage betrieben werden können. In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vakuumbeschichtungsanlage
als ein Cluster mit einer Handlerkammer und einer zweiten Prozesskammer
ausgeführt,
wobei die Handlerkammer zugleich die erste Prozesskammer ist.
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In
der zentralen, ersten Prozesskammer ist erfindungsgemäß der Vakuumroboter
gemeinsam mit mindestens einer Prozessstation installiert. In Erweiterung
dieser Vakuumbeschichtungsanlage können an Flanschen der Prozesskammerwand
weitere Prozesskammern mit weiteren Prozessstationen, wie zum Beispiel übliche Prozesskammern
der Cluster-Beschichtungsanlagen angeordnet sein, die ebenfalls
durch den Vakuumroboter mit Substraten bestückt werden. Somit kann in einer
solchen Beschichtungsanlage eine höhere Anzahl an technologischen
Prozessen als bisher vereint werden und ihre Einsatzfähigkeit
erweitert werden.
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Bei
einer weiteren Ausführung
ist eine zweite Prozessstation angeordnet und weisen die Prozessstationen
Beschichtungsquellen auf, die wechselseitig abdeckbar sind.
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Hier
ist es möglich,
neben der zweiten Prozessstation noch weitere Prozessstationen mit
den gleichen Merkmalen anzuordnen. Mit als Blenden gearteten Schutzabdeckungen
für die
Beschichtungsquellen wird es möglich,
in der gleichen Prozesskammer Beschichtungen durch mehrere Beschichtungsquellen mit
verschiedenen Beschichtungsmaterialien nacheinander durchzuführen, ohne
dass dabei die inaktive Beschichtungsquelle mit Fremdbeschichtungsmaterial
kontaminiert wird.
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Darüber hinaus
ist es zweckmäßig, dass
der Vakuumroboter zur Bewegung mindestens einer Abdeckblende mit
dieser in Wirkverbindung steht.
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Übernimmt
der Vakuumroboter die Führung und
Positionierung der Abdeckblenden für die unaktien Beschichtungsquellen,
können
auch die speziellen mechanischen Antriebe hierfür, wie zum Beispiel Drehblenden,
entfallen. Der Vakuumroboter kann gegebenenfalls sämtliche
mechanische Aufgaben in der Vakuumkammer übernehmen, so auch die Positionierung
von Abdeckblechen für
Ventile und/oder Gasaustrittsöffnungen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die Prozessstation eine Beschichtungsquelle
mit einer rechteckigen Targetfläche
aufweist.
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Die
Beschichtungsquellen mit rechteckiger Targetfläche können zu einem Block mit geringen Leerräumen aneinander
gereiht werden. Neben dem Vorteil der ökonomischen Raumausnutzung,
womit eine hohe Konzentration von Prozessorten innerhalb einer Vakuumkammer
erreicht wird, entfallen hierdurch die beschriebenen Störungen in
der Schichtdickenverteilung, die bei der Verwendung von Targetflächen mit
rundem Grundriss auftreten. Der Vakuumroboter kann ein Substrat
in exakt rechtwinkliger Ausrichtung zu den Kantenlinien des jeweiligen rechteckigen
Targetgrundrisses über
jede der Beschichtungsquellen führen,
so dass gleichmäßige Verweilzeiten
für die
Beschichtung aller Substratflächenpunkte
erzeugt werden und somit eine Schichtdickenhomogenität mit einer
weiteren erheblichen Qualitätssteigerung
erzielt wird.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Prozesskammer mindestens
eine Ausbuchtung zum Einschwenken von Substraten und/oder zur Aufnahme
von Substraten aufweist.
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Diese
Ausbuchtungen ermöglichen
die Substrate vollständig
geradlinig über
die Targets der Beschichtungsquellen, insbesondere über die
am Rand der Vakuumkammer positionierten Targets hinweg zu bewegen,
so dass keine Einbuße
an der homogenen Schichtenqualität
entsteht. Darüber
hinaus ist es technologisch von Vorteil, dass in den Ausbuchtungen
Substrate im Verlauf eines Beschichtungszyklus zwischengelagert
werden können,
ohne dass die Substrate einzeln die Schleusen passieren müssen.
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Darüber hinaus
ist es dienlich, dass die erste Prozesskammer einen runden Querschnitt
aufweist.
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Somit
bietet die Cluster-Beschichtungsanlage das größtmögliche Platzangebot für die Anflanschung
der peripheren Prozesskammern.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vakuumbeschichtungsanlage
ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Faltarmes programmierbar und
steuerbar.
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Damit
ist es möglich
verschiedene Geschwindigkeitsprofile insbesondere bei der Relativbewegung
des Substrates über
die Targetfläche
während
des Beschichtungsprozesses zu realisieren und dabei bestimmte Schichtdickenprofile
zu erzeugen, wie zum Beispiel Schichten mit keilförmigem Querschnitt.
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Ergänzend ist
es günstig,
dass der Vakuumroboter ansteuerbar höhenverstellbar ist.
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Somit
kann der Abstand des Substrates zum Target in situ und sogar während des
Beschichtungsprozesses ohne weiteren technischen Aufwand variiert
werden.
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Darüber hinaus
ist es dienlich, dass der Faltarm thermisch entkoppelt ist.
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Damit
wird eine thermische Belastung des Vakuumroboters durch die auf
das Substrat einwirkende und auf den Faltarm weitergeleitete, thermische
Prozessenergie weitestgehend vermieden.
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Die
Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass
das Substrat mittels eines mehrgliedrigen Faltarms von einer Eingabeschleuse
aufgenommen wird, während
des Beschichtungsprozesses mittels des Faltarms relativ zur Beschichtungsquelle bewegt
und anschließend
mittels des Faltarmes an eine Ausgabeschleuse ausgegeben wird.
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Somit
kann mittels des Faltarms das Substrat zum Prozessieren in einem
bestimmten Abstand über
die Beschichtungsquelle, beispielsweise linear und rechtwinklig
zu einer Kantenlinie der rechteckigen Targetfläche der Beschichtungsquelle,
bewegt und somit beschichtet werden. Dabei kann die Bewegung des
Substrates über
die Beschichtungsquelle linear oder kreisförmig erfolgen.
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In
einem folgenden Ausführungsbeispiel
soll die erfindungsgemäße Vakuumbeschichtungsanlage näher beschrieben
werden. Die zugehörige
Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vakuumbeschichtungsanlage
für eine
Waferbeschichtung in der Draufsicht.
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In
einer zentralen ersten Prozesskammer 1 sind sechs Längsmagnetrons
als Beschichtungsquellen 2, welche Targetflächen 3 mit
einem rechteckigen Grundriss aufweisen, eingesetzt. Diese können sowohl
im Kammerboden 4 als auch im nicht dargestellten Deckelflansch
der zentralen Prozesskammer 1 angeordnet sein. Den Längsmagnetrons
gegenüberliegend,
im Zentrum der zentralen Prozesskammer 1 befindet sich
der Vakuumroboter 5 (körperlich
nicht dargestellt). Dargestellt sind in 1 nur die
beiden mehrgliedrigen Faltarme 6 des Vakuumroboters 5.
Der Vakuumroboter 5 kann das Substrat 7, hier
z. B. einen Wafer, aus einer nicht dargestellten Schleuse holen,
die an einem der beiden für
Ein- und Ausgabeschleuse vorgesehenen Flansche 8 montiert
wird. Zum Prozessieren be wegt der Vakuumroboter 5 das Substrat 7 in
einem bestimmten Abstand über
die Targetfläche 3 der
Längsmagnetrons
und zugleich linear und rechtwinklig zu den Kantenlinien der rechteckigen
Targetfläche 3.
Damit das Substrat 7 vollständig geradlinig über die
Targetfläche 3 hinweg
bewegt werden kann, gibt es Ausbuchtungen 9 in der zentralen
Prozesskammer 1 zum Einschwenken der vom Vakuumroboter 5 bewegten
Substrate 7. Gleichzeitig dienen die Ausbuchtungen 9 als
Ablagemöglichkeit
für die
Substrate 7. Zum Abschotten der nicht aktiven Längsmagnetrons
zum Schutze vor Fremdbeschichtung werden Abdeckbleche (nicht dargestellt) über die
Targetflächen 3 positioniert,
die ebenfalls mittels des Vakuumroboters 5 gehandelt werden.
Bei einem Einsatz von sechs Längsmagnetrons
werden fünf
Abdeckbleche benötigt,
die entsprechend dem abwechselnden Betrieb der Längsmagnetrons nur ihre Position über den
sechs Targetflächen 3 verändern, so
dass für
die Abdeckbleche keine gesonderte Ablagemöglichkeit vorgesehen werden
muss. An weiteren Flanschen 10 kann eine spezielle, zweite
und weitere Prozesskammern 11, wie z. B. Ätzkammern
peripher angeordnet werden.
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- 1
- erste
Prozesskammer
- 2
- Beschichtungsquelle
- 3
- Targetfläche
- 4
- Kammerboden
- 5
- Vakuumroboter
- 6
- mehrgliedriger
Faltarm
- 7
- Substrat
- 8
- für Ein- und
Ausgabeschleuse vorgesehener Flansch
- 9
- Ausbuchtung
- 10
- Flansch
- 11
- Zweite
Prozesskammer