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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen von mechanischen,
optischen oder/und elektrischen Eigenschaften bei Schichten, welche
mittels reaktiven Zerstäubens
eines Targets auf Objekten abgeschieden werden.
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Beim
reaktiven Zerstäuben
von Targets sind Verfahren bekannt, bei denen die Energie in mindestens
eine Magnetronelektrode pulsförmig
eingespeist wird. Mit pulsförmigem
Einspeisen der Leistung ist es möglich
die Langzeitstabilität
eines Beschichtungsprozesses zu erhöhen und unerwünschte Mikrobogenentladungen,
sogenanntes arcing, zu reduzieren. Als Formen des Energieeinspeisens
werden im Wesentlichen unipolare und bipolare Verfahren unterschieden.
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Vorteile
des Zerstäubens
mit unipolar gepulster Energieeinspeisung sind beispielsweise eine hohe
erzielbare Beschichtungsrate und im Vergleich zur bipolar gepulsten
Energieeinspeisung eine geringere thermische Belastung eines zu
beschichtenden Substrats. Nachteilig wirkt sich hingegen beim unipolaren
Zerstäuben
eine fortschreitende Anodenbedeckung mit zerstäubtem Material aus, woraus
eine Drift der Entladungsparameter resultiert bzw. ein ständiges Nachstellen
der Entladungsparameter erforderlich wird. Das Bedecken der Anode
mit zerstäubtem
Material kann nahezu verhindert werden, indem ein erhöhter Aufwand
für eine
sogenannte versteckte Anode betrieben wird.
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Beim
Zerstäuben
mit bipolar gepulster Energieeinspeisung ist ein derartiger Aufwand
für eine versteckte
Anode aufgrund der aktiven Entladung der aufgestäubten Schichten in der Rückstäubzone nicht erforderlich.
Dadurch wird eine dauerhafte stabile Entladung gewährleistet
und es können
Schichten mit hoher Materialdichte abgeschieden werden. Durch das
permanente Umladen und Neuausbilden der Ladungsträger treten
jedoch gegenüber
unipolaren Verfahren hohe Schaltverluste auf, welche zu einer Einbuße in der
Beschichtungsrate führen.
Ein weiterer Nachteil eines bipolaren Verfahrens besteht in der
relativ hohen thermischen Belastung eines zu beschichtenden Objekts,
wodurch der Umfang mit diesem Verfahren zu beschichtender Materialien
reduziert wird bzw. die Dicke zu beschichtender Substrate erhöht werden
muss.
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Unipolare
und bipolare Zerstäubungsverfahren
unterscheiden sich aber auch dahingehend, dass Schichten mit unterschiedlichen
Schichteigenschaften und zum Teil gegenläufigen Tendenzen abgeschieden
werden. Wird beispielsweise bei ähnlichen Pulsparametern
eine Siliziumdioxidschicht mittels eines reaktiven unipolaren Zerstäubungsverfahrens auf
ein Objekt aufgetragen, ist diese Schicht durch geringe mechanische
Eigenspannungen, jedoch eine große Rauheit charakterisiert.
Eine mittels eines reaktiven bipolaren Zerstäubungsverfahrens abgeschiedene
Siliziumdioxidschicht weist hingegen höhere mechanische Eigenspannungen
und eine geringere Rauheit auf.
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde ein Verfahren
zu schaffen, mit welchem mechanische, optische oder/und elektrische
Schichteigenschaften beim Abscheiden mittels reaktiven Magnetronzerstäubens verändert bzw.
eingestellt werden können.
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Die
Lösung
des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird mindestens
eine Eigenschaft einer Schicht, welche durch reaktives Zerstäuben mindestens
eines Targets auf einem Objekt abgeschieden wird, eingestellt, indem
das Zerstäuben
in einer Vakuumkammer, die neben einem Trägergas mindestens ein Reaktivgas
aufweist, mittels mindestens zweier Magnetronelektroden erfolgt;
Energie pulsförmig
im Frequenzbereich von 50 Hz bis 100 kHz in Form von Pulspaketen
eingespeist wird und die Pulspakete deren Polarität bezüglich einer Magnetronelektrode
periodisch ändern,
wobei eine Pulsanzahl in einem Bereich von 2 bis 500 pro Pulspaket
verwendet wird. Bei einer Ausführungsform wird
vorzugsweise eine Anzahl von 2 bis 100 Pulsen pro Pulspaket verwendet.
Der Bereich von 50 Hz bis 100 kHz bezieht sich hierbei auf die Frequenz,
mit welcher die einzelnen Pulse eingespeist werden. Diese Frequenz
ist nicht identisch mit der sogenannten Polaritätswechselfrequenz, mit welcher
die Polarität
jedes Mal nach Einspeisen eines Pulspaketes, das eine Anzahl von
Pulsen identischer Polarität
umfasst, gewechselt wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich über die
Anzahl der Pulse pro Pulspaket sowohl mechanische Eigenschaften
als auch elektrische, optische oder thermische Eigenschaften einer abzuscheidenden
Schicht einzustellen. So können beispielsweise
mechanische Eigenspannungen, Oberflächenrauheit oder elektrische
Leitfähigkeit
der abzuscheidenden Schicht eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit
zum Beeinflussen von Schichteigenschaften ist das Verändern der
Pulsfrequenz sowie das Verändern
der Puls-Ein-Zeiten
oder/und der Puls-Aus-Zeiten.
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Besonders
geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren,
eine Eigenschaft oder mehrere Eigenschaften einer abzuscheidenden
Schicht über
die Anzahl der Pulse eines Pulspaketes zu optimieren. Überraschenderweise
haben Untersuchungen gezeigt, dass Werte, welche eine Eigenschaft
einer Schicht charakterisieren, beim Erhöhen der Pulse pro Pulspaket
von 2 Pulsen bis etwa 100 Pulsen pro Pulspaket, keine lineare Veränderung
aufweisen, sondern ein Maximum/Minimum oder zumindest ein partielles
Maximum/Minimum ausbilden.
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Für einen
Beschichtungsprozess ist es daher vorteilhaft zu wissen, bei welcher
Anzahl von Pulsen pro Pulspaket die Eigenschaft der abzuscheidenden Schicht
optimal oder zumindest den jeweiligen Anforderungen genügend ausgebildet
wird. Dazu wird zu verschiedenen Anzahlen von Pulsen pro Pulspaket im
Bereich von 2 bis vorzugsweise 100 Pulsen pro Pulspaket jeweils
mindestens ein die Eigenschaft der abgeschiedenen Schicht charakterisierender
Parameterwert erfasst und anhand aller erfassten Parameterwerte
eine Anzahl von Pulsen pro Pulspaket bestimmt, bei welcher die Eigenschaft
optimal bzw. den jeweiligen Anforderungen genügend ausgebildet wird.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung werden die verschiedenen Anzahlen von Pulsen pro Pulspaket
mittels einer vorgegebenen Funktion ermittelt. Eine Funktion zum
Verändern
der Pulsanzahl pro Pulspaket kann beispielsweise das Addieren/Subtrahieren
einer konstanten Anzahl von Pulsen zur/von der vorher verwendeten
Pulsanzahl pro Pulspaket umfassen. Als Funktion kann aber auch das
Verdoppeln oder Quadrieren der Pulsanzahl zur Anwendung kommen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann beim Zerstäuben
von Targets aus Metall, Keramik oder einer Legierung zur Anwendung
kommen, wobei beispielsweise ein sauerstoffhaltiges oder stickstoffhaltiges
Gas als Reaktivgas verwendet werden kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird während
eines Beschichtungsvorgangs die Pulspaketlänge im Bereich von 2 bis 100
Pulsen pro Pulspaket verändert.
So kann der Beschichtungsprozess beispielsweise mit einer hohen
Anzahl von Pulsen pro Pulspaket begonnen werden, um die Haftung
auf einem Substrat aufgrund einer hohen Rauheit der abgeschiedenen
Schicht und geringen Schichteigenspannungen zu erhöhen. Bei
fort schreitendem Schichtaufbau kann dann die Pulsanzahl pro Pulspaket
verringert werden, um eine möglichst
glatte Schichtoberfläche
zu realisieren. So kann eine Eigenschaft einer Schicht mit zunehmender
Schichtdicke kontinuierlich oder auch sprungartig verändert werden.
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In
analoger Weise wird bei einer weiteren Ausführungsform während eines
Beschichtungsvorgangs die Frequenz der Einzelpulse oder/und das Verhältnis der
Puls-Ein-Zeit zur Puls-Gesamtdauer (Summe
aus Puls-Ein-Zeit und Puls-Aus-Zeit) des Einzelpulses verändert. So
kann der Beschichtungsprozess beispielsweise mit geringerer Frequenz
und einem hohen Verhältnis
von Puls-Ein-Zeit zu Puls-Gesamtdauer begonnen werden, um die Haftung
auf einem Substrat aufgrund einer hohen Rauheit der abgeschiedenen
Schicht und geringen Schichteigenspannungen zu erhöhen. Bei
fortschreitendem Schichtaufbau kann dann die Frequenz der Einzelpulse
erhöht
oder/und das Verhältnis
aus Puls-Ein-Zeit und Puls-Gesamtdauer verringert werden, um eine
möglichst
glatte Schichtoberfläche
zu realisieren. So kann eine Eigenschaft einer Schicht mit zunehmender
Schichtdicke kontinuierlich oder auch sprungartig verändert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Die Figuren
zeigen jeweils in Diagrammform:
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1 die
Abhängigkeit
der Oberflächenrauheit
einer SiO2-Schicht von der Anzahl der Pulse
pro Pulspaket,
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2 die
Abhängigkeit
der mechanischen Eigenspannung der SiO2-Schicht
von der Anzahl der Pulse pro Pulspaket,
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3 die
Abhängigkeit
der Abscheiderate von der Anzahl der Pulse pro Pulspaket,
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4 die
Abhängigkeit
des O2-Flusses von der Anzahl der Pulse
pro Pulspaket,
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5 die
Abhängigkeit
der Beschichtungsrate von der Anzahl der Pulse pro Pulspaket,
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6 die
Abhängigkeit
der Plasmaintensität von
der Anzahl der Pulse pro Pulspaket.
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Mittels
reaktiven Magnetronzerstäubens
soll eine SiO2-Schicht auf eine Kunststofffolie
mit hoher Abscheiderate aufgetragen werden. Die abzuscheidende Schicht
soll geringe Eigenspannungen aufweisen, um Rissbildungen zu vermeiden,
und eine geringe Oberflächenrauheit
aufweisen. Die Anforderung an eine geringe Oberflächenrauheit
spricht für
das Anwenden eines bipolaren Zerstäubungsverfahrens. Jedoch ist
bei diesem die thermische Belastung für die Kunststofffolie sehr
hoch und könnte
zum Beschädigen
oder gar Zerstören
der Kunststofffolie führen.
Eine geringere thermische Belastung der Kunststofffolie und geringe
mechanische Eigenspannungen der abzuscheidenden Schicht könnten mit
einem unipolaren Zerstäubungsverfahren
realisiert werden. Hierbei würde
jedoch nur eine Schicht mit rauer Oberfläche abgeschieden werden.
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Erfindungsgemäß wird die
SiO2-Schicht abgeschieden, indem in einer
sauerstoffhaltigen Atmosphäre
mittels einer Doppelmagnetroneinrichtung ein Siliziumtarget zerstäubt wird.
Die Energie wird dabei in Form von Pulspaketen mit wechselnder Polarität in die
Magnetroneinrichtung eingespeist, wobei über die Anzahl der Pulse pro
Pulspaket die Schichteigenschaften, wie mechanische Eigenspannungen
und Oberflächenrauheit,
optimiert werden bzw. ein Kompromiss zwischen den tendenziell gegenläufigen Eigenschaften
gefunden wird.
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Dazu
wird bei unveränderten
Abscheidebedingungen, wie einem Reaktivgasdruck von 0.3 Pa, einer
Pulslänge
von jeweils 15 μs
und einer Pulspause von jeweils 5 μs nur die Anzahl der Pulse pro
Pulspaket verändert
und zu jeder festgelegten Pulspaketanzahl ein Wert für die mechanische
Eigenspannung, die Oberflächenrauheit
und die Abscheiderate erfasst. Als Pulspaketlängen wurde eine Anzahl von 3,
5, 10 und 50 Pulsen pro Pulspaket ausgewählt.
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In
den 1 bis 3 sind die jeweils erfassten
Werte für
die Oberflächenrauheit,
die mechanischen Eigenspannungen bzw. die Abscheiderate in Abhängigkeit
von der Anzahl der Pulse pro Pulspaket als kleine Vierecke graphisch
dargestellt. Aus 1 ist ersichtlich, dass mit Pulspaketen
bis zu einer Länge
von zehn Pulsen pro Paket eine Oberflächenrauheit der abgeschiedenen
SiO2-Schicht realisierbar ist, die nur unwesentlich
von der Oberflächenrauheit einer
mittels bipolaren Zerstäubungsverfahrens
(Bipolarfrequenz von 27 kHz) abgeschiedenen SiO2-Schicht
(als Dreieck dargestellter Wert) abweicht. Bei drei Pulsen pro Pulspaket
ist sogar eine geringere Oberflächenrauheit
als beim bipolaren Verfahren zu erzielen.
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2 zeigt,
dass schon bei drei bis zehn Pulsen pro Pulspaket die Eigenspannungen
der SiO2-Schicht gegenüber einem bipolaren Verfahren um
etwa ein Drittel gesenkt werden können. Bei Pulspaketen von fünfzig Pulsen
werden Schichtspannungen auf die Hälfte reduziert.
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Bei
der in 3 dargestellten Abscheiderate wird ein Minimum
bei fünf
Pulsen pro Pulspaket erzielt, wohingegen bei zehn Pulsen pro Pulspaket
eine Abscheiderate realisiert wird, die nur geringfügig von der
maximale Abscheiderate bei fünfzig
Pulsen pro Pulspaket abweicht.
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Ausgehend
von der Aufgabenstellung, eine SiO2-Schicht
mit geringer Oberflächenrauhigkeit,
geringen Eigenspannungen und hoher Rate abzuscheiden, wurde anhand
der erfassten Parameterwerte eine Pulszahl von zehn Pulsen pro Pulspaket
ausgewählt,
um das Beschichtungsverfahren entsprechend Aufgabenstellung durchzuführen. Beim
Einspeisen der Energie in Form von Pulspaketen ist die thermische
Belastung der Kunststofffolie aufgrund der geringeren Energie der
auf die Kunststofffolie treffenden abgestäubten Teilchen nicht so hoch
wie beim herkömmlichen
bipolaren Zerstäuben,
bei welchem nach jedem Puls ein Polaritätswechsel erfolgt. Es kann
somit auch nicht die Gefahr des Beschädigens oder Zerstörens der
Kunststofffolie reduziert werden. Die Energie der auf die Kunststofffolie
treffenden Teilchen weist ebenfalls eine Abhängigkeit von der Pulspaketlänge der
eingespeisten Energie auf.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist jedoch nicht nur geeignet die Eigenschaften von SiO2-Schichten einzustellen
bzw. zu optimieren, vielmehr können
damit auch Eigenschaften beispielsweise oxidischer oder nitridischer
Schichten anderer Metalle, Keramiken oder Legierungen eingestellt werden.
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Die
Größe der Pulspakete
beim Zerstäuben von
Targets übt
jedoch nicht nur einen Einfluss auf die Eigenschaften abzuscheidender
Schichten aus, sondern hat auch einen Einfluss auf die Prozessparameter
selbst. In den 4 bis 6 sind die
Werte des Sauerstoff-Flusses, der Beschichtungsrate bzw. der Plasmaintensität für den oben
beispielhaft geschilderten Beschichtungsvorgang bei Pulspaketlängen von
3, 10 und 100 Pulsen pro Pulspaket graphisch dargestellt. Aus den 4 bis 6 ist
ersichtlich, dass die jeweiligen Werte ebenfalls kein kontinuierliches
Verhalten beim Erhöhen
der Anzahl von Pulsen in einem Pulspaket von zwei Pulsen bis einhundert
Pulsen aufweisen, sondern bei den gegebenen Prozessparametern ein
Minimum/Maximum bei jeweils zehn Pulsen pro Pulspaket aufweisen. Beim
Abscheiden anderer Schichten und/oder bei anderen Prozessparametern
können
diese Minimum-/Maximumwerte jedoch bei einer anderen Anzahl von
Pulsen pro Pulspaket liegen.