Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beschichten eines bandförmigen Substrates mit einer Parylene-Schicht innerhalb einer Arbeitskammer.

Parylene ist die Bezeichnung für eine Gruppe von Polymeren und kann in verschiedenen Varianten ausgebildet werden, welche sich zum Beispiel durch gute Barriereeigenschaften, eine hohe chemische Resistenz und/oder einen geringen Reibungskoeffizienten auszeichnen, weshalb Parylene-Schichten oftmals auch als Deckschichten, beispielsweise bei Objekten aus der Medizintechnik, der Elektronik oder auch der Luft- und Raumfahrt, eingesetzt werden.

Parylene-Schichten werden üblicherweise mittels Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung auf der Oberfläche von Substraten ausgebildet. Hierbei wird zunächst ein als Dimer bezeichnetes, festes und pulverförmiges bis körniges Ausgansmaterial unter Vakuumbedingungen erhitzt und in ein Gas sublimiert. Das Gas wird anschließend einer Pyrolyse unterzogen und dadurch in reaktive, monomere Bestandteile aufgespalten. Abschließend werden die monomeren Bestandteile oftmals bei Raumtemperatur auf einem Substrat abgeschieden. Eine solche Vorgehensweise ist zum Beispiel in US 8 889 224 B2 beschrieben.

Das Abscheiden von Parylene-Schichten auf Substraten ist zum Beispiel in sogenannten Batchanlagen etabliert, wie sie beispielsweise in WO 2007/003489 A1 aufgezeigt sind. Hierbei wird mindestens ein zu beschichtendes Substrat in eine Arbeitskammer eingebracht, die Arbeitskammer verschlossen und mindestens ein monomerhaltiges Gas in die Arbeitskammer eingelassen, welches sich durch Polymerisation auf der Oberfläche des Substrates abscheidet. Nach der Schichtabscheidung wird die Arbeitskammer belüftet und das mindestens eine Substrat aus der Arbeitskammer entfernt. Die aus WO 2007/003489 A1 bekannten Vorrichtungen können auch eine Kühlfalle aufweisen, mit welcher nicht reagierte Monomer-Moleküle, welche sich noch nach der Schichtabscheidung und vor dem Belüften der Arbeitskammer in der Arbeitskammer oder im Gasauslass befinden, abtrennbar sind. Nachteilig bei der Beschichtung von Substraten mittels chemischer Gasphasenabscheidung im Allgemeinen und somit auch bei den zuvor beschriebenen Vorgehensweisen zum Abscheiden von Parylene-Schichten ist, dass sich das in eine Arbeitskammer eingelassene Monomer nicht nur auf dem Substrat, sondern auch auf allen anderen ungeschützten Oberflächen innerhalb der Arbeitskammer abscheidet.

Die zuvor beschriebenen Vorrichtungen sind neben anderen technischen Problemen, wie beispielsweise des Aufrechterhaltens des Vakuums beim Durchführen eines bandförmigen Substrates durch eine Arbeitskammer, auch deshalb nicht zum Beschichten von bandförmigen Substraten geeignet, weil beim Durchführen eines solchen bandförmigen Substrates durch die Arbeitskammer einer bekannten Batchanlage auch die Rückseite des Substrates mit Parylene beschichtet wird, was bei den meisten Anwendungsfällen nicht erwünscht ist.

Aus DE 10 2010 010 819 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher ein Gas mit Parylene-Monomeren bereitgestellt und durch eine Düse geführt wird. Dabei werden die Parylene-Monomere auf der Oberfläche eines Substrates abgeschieden, welches an der Düsenöffnung vorbeibewegt wird. Eine solche Anlage ist daher auch zum Beschichten von bandförmigen Substraten geeignet, welche an der Düsenöffnung vorbeibewegt werden. Allerdings bleibt auch bei einer solchen Vorrichtung der Nachteil bestehen, dass sich Parylene auch auf allen anderen ungeschützten Oberflächen innerhalb einer Arbeitskammer abscheidet und somit auch auf der Rückseite des zu beschichtenden Substrates, sofern keine Schutzmaßnahmen dagegen vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Beschichten eines bandförmigen Substrates mit einer Parylene-Schicht zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung das Beschichten von bandförmigen Substraten in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren innerhalb einer Arbeitskammer ermöglichen und dabei die Innenwandungen der Arbeitskammer und die nicht zu beschichtende Seite der bandförmigen Substrate vor einer Beschichtung mit Parylene schützen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines bandförmigen Substrates mit einer Parylene-Schicht innerhalb einer Arbeitskammer, umfasst zunächst eine Abwickelrolle zum Abwickeln des bandförmigen Substrates; eine Aufwickelrolle zum Aufwickeln des bandförmigen Substrates nach dem Beschichtungsvorgang; eine Prozessierrolle, welche vom bandförmigen Substrat teilweise umschlungen ist und mittels welcher das bandförmige Substrat an einer Beschichtungszone vorbeiführbar ist. Erfindungsgemäß umfasst eine solche Vorrichtung des Weiteren ein erstes Gehäuse, welches die Beschichtungszone umschließt und welches eine erste Öffnung aufweist, die zum Substrat hin ausgerichtet ist, wobei die erste Öffnung von einem ersten Öffnungsrand umschlossen ist; ein zweites Gehäuse, welches eine zweite Öffnung aufweist, die zum Substrat hin ausgerichtet ist, wobei die zweite Öffnung von einem zweiten Öffnungsrand umschlossen ist und wobei das zweite Gehäuse das erste Gehäuse umschließt, wodurch das zweite Gehäuse ein Volumen zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse begrenzt; mindestens einen Einlass, welcher sich durch eine Wandung des ersten Gehäuses hindurch erstreckt und mittels dessen mindestens ein monomerhaltiges Gas zum Abscheiden der Parylene-Schicht in die Beschichtungszone einbringbar ist und mindestens eine Pumpeinrichtung, mittels der ein Unterdrück im Volumen zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse erzeugbar ist. Als monomerhaltiges Gas sollen hierbei alle, aus dem Stand der Technik bekannten, Monomer-Moleküle umfassenden Gase verstanden werden, die zum Abscheiden einer Parylene-Schicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung geeignet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfasst eine Arbeitskammer 1 , innerhalb welcher ein zu beschichtendes bandförmiges Substrat 2 zunächst auf einer Abwickelrolle 3 aufgewickelt ist. Das bandförmige Substrat 2 soll auf einer Seite mit einer Parylene-Schicht beschichtet werden. H ierf ür wird das bandförmige Substrat von der Abwickelrolle 3 abgewickelt und derart über eine Prozessierrolle 4 geführt, dass das bandförmige Substrat 2 die Prozessierrolle 4 teilweise umschlingt, wobei das bandförmige Substrat 2 mittels der Prozessierrolle 4 an einer Beschichtungszone 5 vorbeigeführt wird. Nach einem Beschichtungsvorgang wird das bandförmige Substrat 2 auf eine Aufwickelrolle 6 aufgewickelt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine oder mehrere Umlenkrollen aufweisen, mittels welchen das bandförmige Substrat 2 durch die Arbeitskammer 1 geführt und/oder an einer oder mehreren anderen Beschichtungsstationen vorbeigeführt werden kann, welche der Beschichtungszone 5 vor- und/oder nachgelagert sein können.

Zwischenwandungen 7 unterteilen das Innere der Arbeitskammer 1 in eine Wickelkammer 8, in welcher zum Beispiel Atmosphärenbedingungen ausgebildet sein können und eine Prozesskammer 9, in welcher ein Druck von größer 10 Pa eingestellt ist, wobei sich die Abwickelrolle 3 und die Aufwickelrolle 6 in der Wickelkammer 8 befinden und die Beschichtungszone 5 innerhalb der Prozesskammer 9 ausgebildet ist. Die Prozessierrolle 4 erstreckt sich sowohl in die Wickelkammer 8 als auch in die Prozesskammer 9. Für eine effiziente Schichtabscheidung ist es zweckmäßig, dass das Substrat während der Parylene- Schichtabscheidung nicht zu stark erhitzt wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist daher die Prozessierrolle 4 als Kühlwalze oder Kühlrolle ausgebildet und dabei derart hinsichtlich seiner Kühlparameter dimensioniert, dass das Substrat 2 während der Parylene- Schichtabscheidung nicht auf Temperaturen über 45 °C erwärmt wird.

Ein erstes, innerhalb der Prozesskammer 9 angeordnetes, Gehäuse 10, welches die Beschichtungszone 5 umschließt, weist eine erste Öffnung auf, die zu dem Abschnitt des Substrates 2 hin ausgerichtet ist, welcher die Prozessierrolle 4 teilweise umschlingt, wobei die erste Öffnung von einem ersten Öffnungsrand 1 1 des ersten Gehäuses 10 umschlossen und somit auch begrenzt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 1 umfasst des Weiteren ein zweites Gehäuse 12, welches eine zweite Öffnung aufweist, die ebenfalls zu dem Abschnitt des Substrates 2 hin ausgerichtet ist, welcher die Prozessierrolle 4 teilweise umschlingt, wobei die zweite Öffnung von einem zweiten Öffnungsrand 13 des zweiten Gehäuses 12 umschlossen und somit auch begrenzt ist und wobei das zweite Gehäuse 12 das erste Gehäuse 10 umschließt, wodurch das zweite Gehäuse 12 ein Volumen 14 zwischen dem ersten Gehäuse 10 und dem zweiten Gehäuse 12 begrenzt.

Ferner kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch Einrichtungen zum Bereitstellen mindestens eines Monomers für das Abscheiden einer Parylene-Schicht aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst hierfür eine Verdampfereinrichtung 15, in welche pulverförmiger bzw. körniger Dimer 16 als Parylene-Ausgangsmaterial eingebracht, bei einem Druck von kleiner 10 Pa und bei einer Temperatur größer 80 °C erhitzt und infolgedessen in ein Gas sublimiert wird. Das Gas wird einer Pyrolyseeinrichtung 17 zugeführt und dort bei einem Druck von kleiner 10 Pa und einer Temperatur größer 550 °C in Monomere aufgespalten. Die Monomere wiederum werden mittels mindestens eines Einlasses 18, welcher sich durch eine Wandung des zweiten Gehäuses 12 und eine Wandung des ersten Gehäuses 10 hindurch erstreckt, derart in die Beschichtungszone 5 eingebracht, dass innerhalb des ersten Gehäuses 10 ein Druck von kleiner 10 Pa eingestellt ist. Bei diesen Druckverhältnissen scheiden sich die Monomer-Moleküle innerhalb der Beschichtungszone 5 durch Polymerisation auf der Seite des Substrates 2 ab, welche der Prozessierrolle 4 abgewandt ist. Diese Seite des bandförmigen Substrates 2 wird nachfolgend auch als Vorderseite des Substrates 2 bezeichnet, wohingegen die Seite des bandförmigen Substrates 2, welche der Prozessierrolle 4 zugewandt ist und an der Prozessierrolle 4 anliegt, auch als Rückseite des Substrates 2 bezeichnet wird.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist lediglich eine Verdampfereinrichtung 15 dargestellt. Alternativ kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Verdampfereinrichtungen 15 umfassen, welche zum Beispiel derart parallel betrieben werden, dass eine kontinuierliche Zufuhr des monomerhaltigen Gases in die Beschichtungszone 5 gewährleistet ist.

Als weiterer Bestandteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 1 eine Pumpeinrichtung 19 dargestellt, mittels welcher ein Unterdrück im Volumen 14 zwischen dem ersten Gehäuse 10 und dem zweiten Gehäuse 12 erzeugbar ist. Dabei ist die Pumpeinrichtung 19 derart dimensioniert, dass mittels dieser ein Druck einstellbar ist, der maximal 80 % des Druckes entspricht, der innerhalb des ersten Gehäuses 10 eingestellt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels der Pumpeinrichtung 19 ein Druck im Volumen 14 einstellbar, der 70 % bis 80 % des Druckes innerhalb des ersten Gehäuses 10 entspricht. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Druck von kleiner 8 Pa im Volumen 14 eingestellt. Mittels der Pumpeinrichtung 19 werden somit die Monomer-Moleküle aus dem Volumen 14 abgepumpt, die sich innerhalb der Beschichtungszone 5 nicht auf dem Substrat 2 abscheiden und durch den Spalt zwischen dem Substrat 2 und dem ersten Öffnungsrand 1 1 hindurch in das Volumen 14 gelangen. Mittels der Pumpeinrichtung 19 kann sichergestellt werden, dass keine Monomer-Moleküle bzw. lediglich ein vernachlässigbar geringer Anteil von Monomer-Molekülen in den Raum innerhalb der Prozesskammer 9 und außerhalb des zweiten Gehäuses 12 gelangen und dort keine unerwünschten Schadabscheidungen ausbilden. Zum Aufrechterhalten der zuvor genannten Druckverhältnisse einerseits und damit andererseits möglichst wenige Monomer-Moleküle in das Volumen 14 bzw. in den Raum innerhalb der Prozesskammer 9 und außerhalb des zweiten Gehäuses 12 gelangen, ist es vorteilhaft, den Abstand zwischen dem Substrat 2 und dem ersten Öffnungsrand 1 1 sowie den Abstand zwischen dem Substrat 2 und dem zweiten Öffnungsrand 13 möglichst klein auszubilden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind deshalb der erste Öffnungsrand 1 1 des ersten Gehäuses 10 und der zweite Öffnungsrand 13 des zweiten Gehäuses 12 mit einem Maß von jeweils maximal 3 mm vom Substrat 2 beabstandet.

Die Mündungsöffnung des mindestens einen Einlasses 18 ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einem Maß von mindestens 20 mm vom Substrat beabstandet, damit eine hinreichende Verteilung des monomerhaltigen Gases innerhalb der Beschichtungszone 5 für eine homogene Beschichtung des Substrates 2 gewährleistet werden kann. Um eine Verteilung des monomerhaltigen Gases innerhalb der Beschichtungszone 5 zu unterstützen kann zusätzlich auch mindestens ein Prellblech vor der Mündungsöffnung des mindestens einen Einlasses 18 angeordnet sein, wobei das Prellblech zum Beispiel derart ausgerichtet sein kann, dass der Richtungsstrahl des in die Beschichtungszone 5 strömenden monomerhaltigen Gases der Normalen der Oberfläche des Prellbleches entspricht. Hierbei kann der Abstand des Prellbleches zur Mündungsöffnung des mindestens einen Einlasses 18 beispielsweise mit einem Maß von 5 mm bis 15 mm ausgebildet sein.

Zum Schutz der Pumpeinrichtung 19, damit sich innerhalb der Pumpeinrichtung 19 keine Monomere an den Wandungen niederschlagen und die Pumpeinrichtung 19 dadurch beschädigen, ist es vorteilhaft, wenn im Strömungskanal zwischen dem Volumen 14 und der Pumpeinrichtung 19 noch mindestens eine Kühlfalle 20 angeordnet ist, mittels welcher kondensierbare Komponenten des aus dem Volumen 14 abgepumpten Gases ausgefiltert werden, bevor das abgepumpte Gas die Pumpeinrichtung 19 erreicht. In solch einer, aus dem Stand der Technik bekannten, Kühlfalle 20 ist bevorzugt eine Temperatur von kleiner - 40 °C eingestellt.

Als weiteres optionales Element kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch mindestens ein Heizelement aufweisen, mit welchem das erste Gehäuse 10 und/oder das zweite Gehäuse 12 auf eine Temperatur größer 45 °C erwärmbar ist. Hierdurch wird ebenfalls die Möglichkeit einer nicht erwünschten Schadbeschichtung des ersten Gehäuses 10 bzw. des zweiten Gehäuses 12 verringert. Das mindestens eine Heizelement kann zum Beispiel als Widerstandsheizelement ausgebildet sein, welches am ersten Gehäuse 10 bzw. am zweiten Gehäuse 12 befestigt ist und bei welchem die Wärme auf Basis des Durchflusses eines elektrischen Stroms erzeugt wird.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wurde beschrieben, dass die Arbeitskammer 1 Zwischenwandungen 7 aufweist, mit welchen die Arbeitskammer 1 in eine Wickelkammer 8 und eine Prozesskammer 9 unterteilt wird. Die Zwischenwandungen 7 sind jedoch ein optionales Element der Erfindung. Erfindungswesentlich ist lediglich, dass der Druck außerhalb des zweiten Gehäuses 12 größer ist als der Druck im Volumen 14. Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Arbeitskammer 1 keine Zwischenwandungen 7 auf, so dass im gesamten Bereich innerhalb der Arbeitskammer 1 und außerhalb des zweiten Gehäuses 12 identische Druckverhältnisse vorherrschen. Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch aus, dass für den Bereich außerhalb des zweiten Gehäuses 12 größere Pumpeinrichtungen bzw. mehr Pumpeinrichtungen erforderlich sind, welche die erforderlichen Druckverhältnisse außerhalb des zweiten Gehäuses 12 aufrechterhalten müssen, wenn außerhalb des Gehäuses 12 ein Unterdrück erzeugt werden soll.

Prinzipiell lässt sich eine Parylene-Schicht auch innerhalb einer Arbeitskammer 1 auf einem bandförmigen Substrat 2 abscheiden, wenn die Arbeitskammer 1 kein zweites Gehäuse 12 und somit kein, bezüglich der Druckverhältnisse, separiertes Volumen 14 aufweist.

Nachteilig bei einer solchen Vorrichtung ist jedoch, dass alle verbleibenden Oberflächen innerhalb der Arbeitskammer 1 und außerhalb des ersten Gehäuses 10 mit einer unerwünschten Schadbeschichtung versehen werden und ebenfalls größere bzw. mehr Pumpeinrichtungen erforderlich sind, um die erforderlichen Druckverhältnisse außerhalb des ersten Gehäuses 10 aufrecht zu erhalten, wenn im Bereich außerhalb des ersten Gehäuses 10 ein Unterdrück erzeugt werden soll.

Wie zuvor aufgezeigt wurde, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet, eine Parylene-Schicht auch in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess auf einem bandförmigen Substrat abzuscheiden. Weil das bandförmige Substrat während des Beschichtungsvorgangs mit der Rückseite an einer Prozessierrolle anliegt, können auf der Rückseite des Substrates auch keine Parylene-Partikel abgeschieden werden. Des Weiteren verhindert das Druckstufensystem, welches mittels des ersten und zweiten Gehäuses innerhalb der Prozesskammer ausgebildet wird, dass sich parasitäre Parylene-Schichten auf den Innenwandungen der Arbeitskammer bzw. auf innerhalb der Arbeitskammer angeordneten

Prozessmitteln abscheiden.