Beschreibung

Vakuumbehandlung von bandförmigen Substraten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Behandlungsanlage zur Vakuumbehandlung, insbesondere Vakuumbeschichtung einer Vorderseite von bandförmigen Substraten mit einer Prozesskammer und einer Prozesswalze und zumindest einer Prozessquelle und einer zweiten Prozesskammer mit einer Prozesswalze und zumindest einer Prozessquelle.

Bei den bandförmigen Substraten kann es sich um Metallbänder, Magnetbänder, Filme, Kunststofffolien oder dergleichen handeln, die der Prozessquelle, beispielsweise zur Beschichtung ausgesetzt werden. Als Prozessquelle werden üblicherweise Sputterquellen, insbesondere Magnetron-Sputterquellen, Aufdampf-, Plasma-Physical-Vapor-Deposition- oder Chemical-Vapor-Deposition-Quellen (PVD- oder CVD-Quellen) eingesetzt. Ferner können diese Quellen auch für eine Vorbehandlung, Reinigung, Trocknung, Oberflächenaktivierung und/oder Polymerisierung des zu beschichtenden Substrats dienen. Durch den Einsatz von zwei Prozesskammern mit Prozessquellen kann der Durchsatz einer derartigen Anlage gegenüber einer Anlage mit nur einer Prozesskammer erhöht werden.

Außer DE 101 571 86 C1 ist eine Vakuumbeschichtungsanlagen zum Beschichten von bandförmigem Material in Prozesskammern bekannt, bei der in einer ersten evakuierbaren Haspelkammer eine Abwickeleinrichtung mit einem eingesetzten Abwickel des zu beschichtenden bandförmigen Materials angeordnet ist und in einer zweiten evakuierbaren Haspelkammer eine Aufwickeleinrichtung mit einem herausnehmbaren Aufwickel des zu beschichtendem Materials angeordnet ist. Das zu beschichtende bandförmige Material durchläuft zwei Prozesskammern mit Führungseinrichtungen mit einer Anzahl von Umlenkrollen für das bandförmige Substrat.

Aus der JP 00063206470 AA ist bereits eine Bandbeschichtungsanlage mit zwei Bearbeitungskammern und zwei Prozesswalzen bekannt, bei denen die beiden Prozesswalzen so angeordnet sind, dass nacheinander beide Seiten des Bandes beschichtet werden können.

Aus der JP00063020464AA ist ferner eine Anlage zur Bedampfung einer Seite eines Stahlbandes bekannt mit Auf- und Abwickelrollen, die außerhalb der Bearbeitungskammer angeordnet sind. Die Aufwickel- und Abwickeleinrichtungen sind über Schleusen mit der Bearbeitungskammer verbunden.

BESTäTIGUNGSKOPIE

Ferner ist das aus der DE 10 2005 042762 A1 eine Bandbeschichtungsanlage bekannt, bei der das Innere der Vakuumkammer durch eine Trennwand in eine Walzenkammer und eine Beschichtungskammer getrennt ist. Aufwickel- und Abwickelwalzen befinden sich ebenfalls in der Vakuumkammer.

Eine weitere Bandbehandlungsanlage ist aus der WO 2005/116289 bekannt, bei der ein Wechsel von Abwickel- und Aufwickelspulen möglich ist, ohne die gesamt Anlage beziehungsweise deren evakuierten Behandlungstrakt zu lüften. Dazu werden Wickelstation und Behandlungsstation in oder auf unterschiedlichen relativ zueinander bewegbaren Basen angeordnet. Die Basis der Behandlungsstation ist ein fester Teil des Anlagengehäuses, das im Betriebszustand auch die Wickelstation umgibt. Letztere sind in einem ihre gemeinsame Basis umfassenden und zum Behandlungsmodul hin offenen gegenüber dem Anlagengehäuse beweglichen Gestell angeordnet und durch Ventile gegenüber der eigentlichen Behandlungsstation abdichtbar. Von außen sind die Winkelstationen über gesonderte, im Betrieb dicht verschließbare öffnungen des Anlagengehäuses zugänglich.

Bei den bekannten Verfahren wird das bandförmige Substrat zwischen einer Behandlungsstation und den Wickelstationen mittels Umkehrrollen geführt, die die Vorderseite des Substrates berühren.

Zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen, beispielsweise auf der Basis von Kupfer-Indiom- Selenit (CIS) mit einer transparenten Zinkoxyd-Fensterschicht erfolgt eine einseitige Beschichtung von bandförmigen Substraten mittels PVD- oder CVD- Prozessen. Bei der einseitigen Beschichtung darf das bandförmige Substrat lediglich auf der Rückseite berührt werden, wenn die Beschichtung auf der Vorderseite erfolgt ist. Auch bei anderen Prozessen kann es erforderlich sein, eine Berührung einer Substrat- Vorderseite zu minimieren oder gänzlich zu vermeiden. Dieses Erfordernis motiviert eine Behandlungsanlage ohne die üblichen Band - Umlenkrollen, die das Substrat auf der Vorderseite berühren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Behandlungsanlage sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zur Vakuumbehandlung, insbesondere Vakuumbeschichtung bandförmigen Substraten zur Verfügung zu stellen, bei der zur Substratführung keine Berührung der Vorderseite des Substrats erforderlich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß ist bei einer Behandlungsanlage zur Vakuumbehandlung, insbesondere Vakuumbeschichtung zumindest eines Bereichs einer Vorderseite von bandförmigen Substraten in einer ersten Prozesskammer mit einer ersten Prozesswalze und zumindest einer Prozessquelle und einer zweiten Prozesskammer mit einer zweiten Prozesswalze und zumindest einer Prozessquelle vorgesehen, dass

eine zwischen der ersten und der zweiten Prozesskammer angeordnete Transferkammer, welche mit beiden Prozesskammern gekoppelt und druckmäßig von zumindest einer der Prozesskammern trennbar ist und eine Abwickeleinrichtung mit einem herausnehmbaren Abwickel und eine Aufwickeleinrichtung mit einem heraus nehmbaren Aufwickel für das zu behandelnde Substrat sowie eine Außenschleuse zur Be- und Entladung von Abwickel und/oder Abwickel aufweist,

wobei das zu behandelnde Substrat mit seiner Rückseite der ersten und zweiten Prozesswalze zugewandt ist und von der Abwickeleinrichtung zur ersten Prozesswalze, von der ersten Prozesswalze zur zweiten Prozesswalze und von der zweiten Prozesswalze zur Aufwickeleinrichtung durch die Transferkammer führbar ist.

Der zu beschichtende Bereich der Vorderseite ist vorzugsweise ein Streifen parallel zu den Rändern des bandförmigen Substrats, der sich auch über die gesamte Breite des Substrats erstrecken kann.

Die Anordnung der Transferkammer zwischen der ersten und der zweiten Prozesskammer und die Führung des zu beschichtenden Substrats von der Abwickeleinrichtung zur ersten Prozesswalze, von der ersten Prozesswalze zur zweiten Prozesswalze und von der zweiten Prozesswalze zur Aufwickeleinrichtung durch die Transferkammer, ermöglicht es auf Umlenkrollen, welche einen vorgegebenen Bereich, vorzugsweise den zu beschichtenden Bereich der Vorderseite des bandförmigen Substrats berühren, zu verzichten. Es versteht sich, dass auch eine Berührung des betreffenden Bereichs des bandförmigen Substrats durch andere Anlagenkomponenten vermieden werden kann.

Bevorzugt ist es, wenn die Führungseinrichtungen, insbesondere Rollen und Umlenkrollen für das zu behandelnde Substrat zwischen Abwickeleinrichtung und erster Prozesswalze, zwischen erster Prozesswalze und zweiter Prozesswalze und/oder zweiter Prozesswalze und Aufwickeleinrichtung nur die Rückseite des Substrates berühren oder entsprechend die Vorderseite des Substrats zumindest in dem vorgegebenen Bereich berührungsfrei geführt wird.

Es versteht sich aber auch, dass von der Erfindung Ausführungsformen umfasst werden, bei denen, beispielsweise unter genau definierten Bedingungen, eine Berührung der Vorderseite des bandförmigen Substrats durch Komponenten der Anlage erfolgt.

Mit besonderem Vorzug ist vorgesehen, dass die erste und zweite Prozesskammer mit der Transferkammer derartig gekoppelt sind, dass Abwickel und/oder Aufwickel in die Transferkammer einladbar oder aus der Transferkammer ausladbar sind und dabei das Vakuum in zumindest einer der Prozesskammern aufrechterhalten bleibt. Das Beladen oder Entladen der Transferkammer kann daher ohne Belüftung der Gesamtanlage erfolgen. Günstig ist es, wenn die Transferkammer eine die erste und zweite Prozesskammer verbindende Zwischenkammer aufweist, sowie eine von der Zwischenkammer durch eine Wand getrennte Schleusenkammer, wobei die Zwischenkammer einen Kanal für das zu beschichtende Substrat bildet, in welchem das zu beschichtende Substrat von der ersten Prozesskammer zur zweiten Prozesskammer läuft. Die Schleusenkammer ist mit einer ersten Bandschleuse mit der ersten Prozesskammer und mit einer zweiten Bandschleuse mit der zweiten Prozesskammer gekoppelt. Die Bandventile können als Quetschventile ausgebildet sein, die im Betrieb der Anlage einen ausreichend großen Querschnitt haben, um einen berührungsfreien Durchlauf des Substrats zu gewährleisten. Ein geeignetes Bandventil ist beispielsweise aus der WO 99/50472 bekannt. Ferner kann die Zwischenkammer mit einer ersten und/oder einer zweiten Bandschleuse mit der ersten und/oder zweiten Prozesskammer gekoppelt sein, wodurch über gegebenenfalls vorhandene Zugangsöffnungen gegebenenfalls vorgesehene Führungseinrichtungen des Substrats in der Zwischenkammer oder andere Komponenten für Wartungs- oder Justierarbeiten zugänglich sind, ohne dass das Vakuum in den Prozesskammern gebrochen werden muss.

Wenn die erste und/oder zweite Prozesswalze kühlbar und/oder heizbar ist, also als Kühl- und/oder Heizwalze ausgebildet ist, kann das bandförmige Substrat während der Beschichtung in einem vorgegebenen Temperaturbereich gehalten werden und damit die Prozessqualität- und -Sicherheit gewährleistet oder erhöht werden.

Um eine effiziente Bearbeitung des Substrats zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn in der oder den Prozesskammern eine Mehrzahl von Prozessquellen angeordnet ist. Die Mehrzahl der Prozessquellen bildet einen Prozessbereich auf der Vorderseite des durchlaufenden bandförmigen Substrats, der mit der Anzahl der Prozessquellen wächst. Für eine sichere Prozessführung ist es vorteilhaft, wenn der Prozessbereich der Prozessquellen in einem Bereich einer Umschlingung der Prozesswalze durch das Substrat liegt, da dann das Substrat während der Wirkung der Prozessquellen eine Unterstützung durch die Prozesswalze erfährt. Eine hohe Effektivität der Anlage wird erreicht, wenn das Substrat die Prozesswalze in einem

Prozessbereich der Prozessquellen mit einer Umschlingung von zumindest 180° umschlingt. In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Umschlingung mit mehr als 180° vorgesehen sein. Der Grad der Umschlingung kann durch die relative Positionierung von Aufwickel- und Abwickeleinrichtung zur ersten beziehungsweise zweiten Prozesswalze bestimmt oder eingestellt werden.

Bevorzugt dient die Behandlungsanlage zur Vakuumbeschichtung von Substraten, wobei als Prozessquellen eine Sputterquellen, Magnetron-Sputterquellen, Aufdampf-, Plasma-PVD- oder CVD-Quellen eingesetzt werden. Es versteht sich, dass auch Quellen für Vorbehandlung, Reinigung, Trocknung, Oberflächenaktivierung und/oder Polymerisierung des zu behandelnden Substrats denkbar sind. Falls die Quelle eine Sputterquelle ist, kann diese ein planares oder ein zylindrisches Target aufweisen. Ferner können die erste Prozesskammer mit einer Prozessquelle mit einem planaren Target und die zweite Prozessquelle mit einem zylindrischen Target ausgestattet sein. Ebenso ist eine umgekehrte Konfiguration vorstellbar. Derartige Konfigurationen können besonders günstig für die Herstellung von CIGS-Solarzellen eingesetzt werden. Ein planares Target wird bevorzugt zur Beschichtung mit undotiertem Zink (i-ZnO) eingesetzt, während zylindrische Targets für die Herstellung von dotierten ZnO-Schichten bevorzugt werden. Es versteht sich, dass auch andere Konfigurationen von planaren und zylindrische Targets für andere Behandlungsprozesse denkbar sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Vakuumbehandlung einer Vorderseite von bandförmigen Substraten in einer Prozesskammer mit einer Prozesswalze und zumindest einer Prozessquelle und einer zweiten Prozesskammer mit einer Prozesswalze und zumindest einer Prozessquelle das zu behandelnde Substrat von einer Abwickeleinrichtung zur ersten Prozesswalze, von der ersten Prozesswalze zur zweiten Prozesswalze und von der zweiten Prozesswalze zu einer Aufwickeleinrichtung geführt wird und dabei mit seiner Rückseite der ersten und der zweiten Prozesswalze zugewandt ist. Die Abwickeleinrichtung und die Aufwickeleinrichtung sind in einer zwischen der ersten und zweiten Prozesskammer angeordneten und mit beiden gekoppelten, druckmäßig von zumindest einer der Prozesskammern trennbaren Transferkammer angeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das die Führung des zu behandelnden bandförmigen Substrats zwischen Aufwickeleinrichtung und Abwickeleinrichtung keine Berührung der zu behandelnden Vorderseite des bandförmigen Substrats durch Umlenkrollen erfordert.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand einer Zeichnung genauer beschrieben, aus denen sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen weiter Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben.

Die Figur 1 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Behandlungsanlage zur Vakuumbehandlung eines bandförmigen Substrats 10 in einem Vertikalschnitt zu den Drehachsen von zwei Prozesswalzen.

Die Behandlungsanlage umfasst eine erste Prozesskammer 20 mit einer Prozesswalze 21 , eine zweite Prozesskammer 30 mit einer Prozesswalze 31 und eine zwischen der ersten und zweiten Prozesskammer angeordneten Transferkammer 40. Ferner sind nicht dargestellte Steuereinrichtungen zur Prozesskontrolle der Behandlung vorgesehen.

Die Prozesswalzen 21 und 31 sind in nicht dargestellten Walzenstühlen angeordnet, die beispielsweise eine Justierung ermöglichen ihrer Achsenlagen erlauben und weisen im wesentlichen parallel zu einander angeordnete Drehachsen auf. Die Transferkammer 40 ist mit den Prozesskammern 20 und 30 gekoppelt. Die Prozesskammern 20, 30 und die Transferkammer 40 sind durch nicht dargestellte Vakuumpumpen evakuierbar. In der Transferkammer 40 ist eine Abwickeleinrichtung 50 für einen Abwickel, der einen Vorrat von Bandmaterial zur Verfügung stellt und eine Aufwickeleinrichtung 60 mit einem Aufwickel angeordnet. Vorzugsweise sind die Achsen von Aufwickel und Abwickel parallel zu einander und zu den Achsen der Prozesswalzen angeordnet.

Als bandförmiges Substrat 10 sind Metallbänder, Magnetbänder, Filme, Kunststofffolien oder dergleichen vorgesehen, die den Prozessquellen 21 , 31 mit einer Seite zur Behandlung, beispielsweise zur Beschichtung ausgesetzt werden.

In der Prozesskammer 20 ist zumindest eine Prozessquelle 22 vorzugsweise eine Anzahl von Prozessquellen 22 angeordnet. Ebenso ist in der Prozesskammer 30 zumindest eine, vorzugsweise eine Anzahl von Prozessquellen 32 angeordnet. Bevorzugt sind die Prozessquellen 22, 32 Magnetron-Sputterquellen. Es ist jedoch denkbar, dass auch andere Sputterquellen, Aufdampf-Plasma-PVD- oder CVD-Quellen eingesetzt werden. Ferner kann es sich bei dem Prozessquellen auch Quellen für Vorbehandlung, Reinigung, Trocknung, Oberflächenaktivierung und/oder Polymerisierung des zu behandelnden Substrats handeln. Vorzugsweise erstreckt sich eine Quelle jeweils über eine vorgegebene Länge parallel zur Drehachse der jeweiligen Prozesswalze. Die Prozessquellen 22 und/oder 32 sind ferner, wie in Figur 1 dargestellt, kreisringartig um die jeweilige Prozesswalze 21 oder 31 angeordnet, um eine möglichst große Behandlungszone für das Substrat 10 zu bilden.

Als Vorderseite 12 des bandförmigen Substrats 10 wird für die Zwecke der Erfindung die Seite des Substrats 10 definiert, die in der Prozesskammer 20 und der Prozesskammer 30 durch die Prozessquellen 22 und/oder 32 eine Behandlung, vorzugsweise einer Beschichtung

unterworfen wird. Die Vorderseite 12 ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise bei einem Aufwickel und/oder Abwickel radial nach außen gerichtet. Als Rückseite 13 wird die entgegengesetzte Seite des Substrats 10 bezeichnet.

Die Transferkammer 40 umfasst eine Zwischenkammer 41 und eine Schleusenkammer 42, die durch eine Wand 45 getrennt sind, die Zwischenkammer 41 bildet einen Kanal für das zu behandelnde Substrat, in welchem dieses von der ersten Prozesskammer 20 zur zweiten Prozesskammer 30 läuft. Die Zwischenkammer 41 kann durch Bandventile 46 und 47 von der Prozesskammer 20 beziehungsweise 30 druckmäßig getrennt werden. Die Bandventile 46 und 47 sind optional, sodass gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung entweder beide oder eines dieser Ventile fehlen.

Die Schleusenkammer 42 ist mit einer Bandschleuse 52 mit der ersten Prozesskammer 20 und einer Bandschleuse 62 mit der zweiten Prozesskammer 30 gekoppelt.

Ersichtlich sind die erste Prozesskammer 20 und die zweite Prozesskammer 30 mit der Transferkammer 40 derart gekoppelt, dass Abwickel oder Aufwickel in die Transferkammer 40 ein- beziehungsweise ausladbar sind, wobei das Vakuum oder ein eingestellter Druck in zumindest einer der Prozesskammern 20 oder 30 erhalten bleibt. Die die Zwischenkammer 41 von der Schleusenkammer 42 trennende Wand 45, grenzt an oder erstreckt sich in einen Bereich der Prozesskammer 20 sowie einen Bereich der Prozesskammer 30. Die Schleusenkammer 42 ist bei geschlossenen Bandventilen 52 und 62 druckmäßig vakuummäßig von der Prozesskammer 20 und der Prozesskammer 30 getrennt, sodass die Abwickel 50 und die Aufwickel 60 über die Außenschleuse 44 zugängig sind, ohne die Prozesskammer 20 oder die Prozesskammer 30 belüften zu müssen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Transferkammer 40 einteilig ausgebildet.

Die Prozesswalze 21 und/oder die Prozesswalze 31 können jeweils als Heiz- und/oder Kühlwalze ausgebildet sein, wie an sich bereits bekannt.

Die Bandventile 46, 47, 52, 62 weisen in geöffnetem Zustand eine ausreichend große lichte Weite auf, um einen berührungslosen Transport des bandförmigen Substrat zu erlauben. Im geschlossenen Zustand ermöglichen sie eine druckmäßige Entkopplung der jeweiligen Prozesskammer von der Transferkammer. Darüber hinaus kann im geschlossenen Zustand einer Bandschleuse das bandförmige Substrat 10 durch die jeweilige Bandschleuse festgehalten werden. Dies ist vorteilhaft, um Teillängen des bandförmigen Substrat 10

abzutrennen und gegebenenfalls einen weiteren Vorrat von Substrat an das festgehaltene Ende anzubringen, beispielsweise durch Heften oder Schweißen.

Die Abwickeleinrichtung 50 weist eine Führungseinrichtung 51 auf, der das bandförmige Substrat 10 mit seiner Rückseite 13 zugewandt ist, sodass keine Berührung der Vorderseite 12 erfolgt. Ferner weist die Aufwickeleinrichtung 60 eine Führungseinrichtung auf, die ebenfalls ohne Berührung der Vorderseite 12 arbeitet. Ferner sind im Bereich der Zwischenkammer 41 Führungseinrichtungen 43 vorgesehen, die die Vorderseite 12 des bandförmigen Substrats nicht berühren, so dass das Substrat 10 frei von Berührung seiner Vorderseite 13 führbar ist.

Bei Betrieb der Anlage ist das bandförmige Substrat 10 mit seiner Rückseite 13 der Prozesswalze 21 und der Prozesswalze 22 zugewandt. Das zu behandelnde bandförmige Substrat wird von der Abwickeleinrichtung zur Prozesswalze 21 geführt, umschlingt diese und wird von ihr umgelenkt in Richtung der Prozesswalze 31 geführt. Zwischen der Prozesswalze 21 und der Prozesswalze 31 wird das bandförmige Substrat durch die Transferkammer 40 geführt. In der Darstellung der Figur 1 erfolgt ein Transfer des Substrats 10 durch die einen Tunnel mit relativ kleinem lichten Querschnitt bildende Zwischenkammer 41.

Das Substrat 10 umschlingt die Prozesswalze 31 und wird umgelenkt und über das Bandventil 62 zur Aufwickeleinrichtung 60 geführt. Während des Transports zwischen Abwickel - und Aufwickeleinrichtung 50 und 60 und der Behandlung des Substrats 10 in der erfindungsgemäßen Behandlungsanlage ist keine Berührung der Vorderseite 12 des Substrats erforderlich. Sämtliche Umlenke und Führungseinrichtungen greifen an der Rückseite 13 des bandförmigen Substrats an, sodass eine Beschädigung oder Kontaminierung der Vorderseite 12 minimiert oder vollständig verhindert werden kann.

Das bandförmige Substrat kann mit seiner Rückseite 13 auf einem Zwischenband angeordnet sein. Gegebenenfalls kann das Substrat 10 von einem Zwischenband vor der Behandlung in der Behandlungsanlage abgezogen und nach der Behandlung wieder auf ein Zwischenband aufgebracht werden. Es versteht sich, dass auch eine Behandlung des bandförmigen Substrats, welches aus zwei oder mehr aufeinander angeordneten Schichten besteht, in der erfindungsgemäßen Anlage oder mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar ist.

Bezugszeichenliste

Bandförmiges Substrat Vorderseite des bandförmigen Substrats Rückseite des bandförmigen Substrats Prozesskammer 1 Prozesswalze 1 Prozessquellen Prozesskammer 2 Prozesswalze 2 Prozessquellen Transferkammer Zwischenkammer Schleusenkammer Führungseinrichtung Abwickeleinrichtung Führungseinrichtung Bandventil Aufwickeleinrichtung Führungseinrichtung Bandventil