DE102013210155A1

DE102013210155A1 - Method for depositing a transparent, electrically conductive metal oxide layer

Info

Publication number: DE102013210155A1
Application number: DE102013210155.4A
Authority: DE
Inventors: Fred Fietzke; Manuela Junghähnel; Thomas Preussner; Bernd-Georg Krätzschmar
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht auf mindestens einem Substrat durch Zerstäuben mindestens eines Targets im Plasma mindestens einer Magnetron-Sputterquelle (2) innerhalb einer Arbeitskammer (1), wobei das Plasma der Magnetron-Sputterquelle (2) zumindest teilweise mit dem Plasma mindestens einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung überlagert wird.The invention relates to a method for depositing a transparent, electrically conductive metal oxide layer on at least one substrate by sputtering at least one target in the plasma of at least one magnetron sputter source (2) within a working chamber (1), the plasma of the magnetron sputter source (2) at least partially overlaid with the plasma at least one magnetic field-assisted hollow cathode arc discharge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht mittels Magnetron-Sputtern.The invention relates to a method for producing a transparent, electrically conductive metal oxide layer by means of magnetron sputtering.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen – wie beispielsweise Anzeigeelementen, berührungsempfindlichen Bildschirmen, Solarzellen oder Fenstergläsern – werden dünne Schichten aufgebracht, die eine elektrische Leitfähigkeit und im sichtbaren Wellenlängenbereich eine niedrige Absorption aufweisen. Derartige Schichten werden häufig bei passiven Bauelementen – wie zum Beispiel bei transparenten Elektroden – als Stromleiter verwendet. Bei solchen Schichten soll eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit bei möglichst niedriger Absorption eingestellt werden. Als Schichtmaterialien werden häufig Metalloxide auf der Basis von Indium-, Zinn-, oder Titanoxid verwendet. Eine Dotierung dieser Metalloxide mit chemischen Elementen – wie beispielsweise Zinn, Zink, Aluminium, Gallium, Niob oder Tantal – kann ihre elektrische Leitfähigkeit deutlich steigern. Solche transparenten, leitfähigen Oxide (auch als transparent conductive Oxide bzw. in Kurzform als TCO benannt) zeichnen sich durch einen für Metalloxide geringen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von (10^–4...10^–3) Ωcm aus. Die elektrischen und optischen, aber auch die mechanischen und chemischen Eigenschaften von TCO-Materialien können bei gleicher chemischer Zusammensetzung je nach Struktur (einkristallin, polykristallin oder nichtkristallin) und Textur sehr unterschiedlich sein. Das Gefüge einer polykristallinen TCO-Schicht mit ihren Korngrenzen und der Beschaffenheit der Kristallite bezüglich Form, Größe und Ordnung beeinflusst wesentlich den Ladungsträgertransport. Der Leitfähigkeitsmechanismus in polykristallinen TCOs sowie die Entstehung und Beweglichkeit von ionischen und elektronischen Ladungsträgern in einem Festkörper im Allgemeinen sind abhängig von den verschiedenartigen Strukturdefekten, die im Festkörper auftreten.In a variety of applications - such as display elements, touch screens, solar cells or window glass - thin layers are applied, which have an electrical conductivity and a low absorption in the visible wavelength range. Such layers are often used as passive conductors in passive devices, such as transparent electrodes. In such layers, the highest possible electrical conductivity should be set with the lowest possible absorption. As layer materials, metal oxides based on indium, tin or titanium oxide are frequently used. A doping of these metal oxides with chemical elements - such as tin, zinc, aluminum, gallium, niobium or tantalum - can significantly increase their electrical conductivity. Such transparent, conductive oxides (also termed transparent conductive oxides or in short form TCO) are characterized by a low electrical resistivity in the range of (10 ^-4 ... 10 ^-3 ) Ωcm for metal oxides. The electrical and optical, but also the mechanical and chemical properties of TCO materials can be very different with the same chemical composition depending on the structure (monocrystalline, polycrystalline or non-crystalline) and texture. The structure of a polycrystalline TCO layer with its grain boundaries and the nature of the crystallites in terms of shape, size and order significantly influences the charge carrier transport. The conductivity mechanism in polycrystalline TCOs and the formation and mobility of ionic and electronic charge carriers in a solid state in general depend on the various structural defects that occur in the solid state.

Stand der TechnikState of the art

Es ist eine Vielzahl von Verfahren zum Herstellen von TCO-Schichten unter Atmosphärenbedingungen oder im Vakuum bekannt, wie beispielsweise Tauchverfahren, Spraypyrolyse, Aufdampfen oder Magnetron-Sputtern. Am weitesten verbreitet sind Sputterverfahren. Mit Sputterverfahren werden meist nichtkristalline oder polykristalline Schichten erzeugt. Die gewählten Abscheideparameter bestimmen im Wesentlichen die einstellbaren elektrischen und optischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht.A variety of methods for producing TCO layers under atmospheric or vacuum conditions are known, such as dipping, spray pyrolysis, vapor deposition or magnetron sputtering. The most common are sputtering methods. Non-crystalline or polycrystalline layers are usually produced by sputtering methods. The selected deposition parameters essentially determine the adjustable electrical and optical properties of the deposited layer.

Das Beeinflussen des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Leitfähigkeit der abgeschiedenen Schichten kann in gewissem Umfang durch das Ändern der Magnetfeldstärke am Magnetron oder die Art der Energieeinspeisung erfolgen. So ist beispielsweise in US 5,180,476 A ein Verfahren beschrieben, bei dem der spezifische elektrische Widerstand einer durch rf-Sputtern bei 13,56 MHz abgeschiedenen transparenten leitfähigen Indium-Zinnoxid-Schicht (ITO-Schicht) durch Magnetfeldänderung am Magnetron beeinflusst wird. Das Verändern der Magnetfeldstärke beeinflusst die Entladungsspannung eines Magnetronplasmas. So bewirkt eine Magnetfeldverstärkung das Reduzieren der Entladungsspannung und damit der Energie der kondensierenden Plasma-Spezies. In auf diese Weise abgeschiedenen ITO-Schichten beträgt der spezifische elektrische Widerstand bei einer Entladungsspannung von 420 V etwa 450 μΩ·cm, bei einer Entladungsspannung von 250 V jedoch lediglich etwa 190 μΩ·cm. Eine Magnetfeldverstärkung eines Magnetrons ist jedoch nicht beliebig steigerungsfähig. Eine Verstärkung des Magnetfeldes zieht eine Einschnürung der entstehenden Erosionszone auf dem Magnetron-Target nach sich, was sich nachteilig auf die Targetausnutzung und die Targetstandzeit auswirkt, also die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt.The influencing of the resistivity and the conductivity of the deposited layers can be done to some extent by changing the magnetic field strength at the magnetron or the type of energy input. For example, in US 5,180,476 A A method is described in which the electrical resistivity of a rf sputtering at 13.56 MHz deposited transparent conductive indium tin oxide (ITO) layer is affected by magnetic field change at the magnetron. Changing the magnetic field strength affects the discharge voltage of a magnetron plasma. Thus, magnetic field enhancement reduces the discharge voltage and thus the energy of the condensing plasma species. In ITO films deposited in this manner, the resistivity at a discharge voltage of 420 V is about 450 μΩ · cm, but at a discharge voltage of 250 V, only about 190 μΩ · cm. However, a magnetic field amplification of a magnetron can not be arbitrarily increased. An amplification of the magnetic field causes a constriction of the resulting erosion zone on the magnetron target, which adversely affects the target utilization and the target life, so affects the efficiency of the process.

Weiterhin ist ein Verfahren zum Beeinflussen des spezifischen elektrischen Widerstandes durch die Art der Energieeinspeisung bekannt [ „Low ohm large area ITO coating by reactive magnetron sputtering in DC and MF mode”; J. Strümpfel, C. May; Vacuum 59 (2000) 500–505 ]. Eine ITO-Schicht, die mittels eines mit Gleichstrom betriebenen Einzelmagnetrons und bei einer Substrattemperatur von 300°C abgeschieden wird, weist demnach einen spezifischen elektrischen Widerstand von 200 μΩ·cm auf. Im Vergleich dazu beträgt der spezifische elektrische Widerstand der ITO-Schicht, die mittels einer mit Gleichstrom betriebenen Doppelmagnetronanordnung und bei einer Substrattemperatur von 255°C abgeschieden wurde, 160 μΩ·cm. Der spezifische elektrische Widerstand einer ITO-Schicht, die durch Magnetron-Sputtern von einer mit mittelfrequent gepulster Energie (das bedeutet im Frequenzbereich 10...100 kHz) gespeisten Doppelmagnetronanordnung und bei einer Substrattemperatur von 255°C abgeschieden wurde, beträgt 230 μΩ·cm. Das Reduzieren des spezifischen elektrischen Widerstandes einer ITO-Schicht wird durch den Einsatz der Doppelmagnetronanordnung in Kombination mit der Art der Energieeinspeisung und der hohen Substrattemperatur erreicht. Das genannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass für das Abscheiden solcher Schichten mit geringem spezifischem elektrischem Widerstand zwei Magnetrons eingesetzt werden müssen. Dies führt zu einer geringen Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gegenüber dem Einsatz von Verfahren mit nur einem Magnetron, da ITO ein relativ teures Material ist. Außerdem kommt das Verfahren für temperaturempfindliche Substrate nicht in Frage.Furthermore, a method for influencing the specific electrical resistance by the type of energy feed is known [ "Low ohm large area ITO coating by reactive magnetron sputtering in DC and MF mode"; J. Strumpfel, C. May; Vacuum 59 (2000) 500-505 ]. An ITO layer which is deposited by means of a single-magnetron operated with direct current and at a substrate temperature of 300 ° C. accordingly has a specific electrical resistance of 200 μΩ · cm. In comparison, the specific electric resistance of the ITO film deposited by a DC double-magnetron device and a substrate temperature of 255 ° C is 160 μΩ · cm. The specific electrical resistance of an ITO layer deposited by magnetron sputtering from a double-magnetron device fed with medium-frequency pulsed energy (that is in the frequency range 10 ... 100 kHz) and at a substrate temperature of 255 ° C. is 230 μΩ · cm , Reducing the electrical resistivity of an ITO layer is achieved through the use of the double magnetron arrangement in combination with the type of power feed and the high substrate temperature. However, the mentioned method has the disadvantage that two magnetrons must be used for the deposition of such layers with low specific electrical resistance. This leads to a low cost of the method over the use of single magnetron methods, since ITO is a relatively expensive material. In addition, the process is not suitable for temperature-sensitive substrates.

Magnetron-Sputterprozesse sind im Allgemeinen durch einen geringen Ionisierungsgrad der schichtbildenden Teilchen charakterisiert, was negative Auswirkungen auf Struktur und Eigenschaften der entstehenden Schichten haben kann. Aus diesem Grund sind speziell für Anwendungen bei der Herstellung von Hartstoffschichten verschiedene Ansätze zum Erhöhen des Ionisierungsgrades, beispielsweise durch zusätzliche Plasmaquellen, vorgeschlagen worden. Magnetron sputtering processes are generally characterized by a low degree of ionization of the film-forming particles, which can negatively impact the structure and properties of the resulting films. For this reason, various approaches for increasing the degree of ionization, for example by additional plasma sources, have been proposed especially for applications in the production of hard coatings.

EP 0 583 736 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Abscheiden von Hartstoffschichten aus der Gruppe der Metallnitride und -carbide auf dreidimensionalen Bauteilen durch reaktives Magnetron-Sputtern, wobei das zugeführte Gas im Plasma einer Glühemissionsquelle (Heizwendel) ionisiert wird. Derartige Plasmen lassen aufgrund der geringen Leistungsfähigkeit der eingesetzten Quelle nur bescheidene Verbesserungen bei der Schichtausbildung zu. Außerdem reagieren glühende Heizwendeln sehr empfindlich auf Belegungen mit schichtbildenden Teilchen aus dem Sputterprozess, so dass ihre langzeitstabile Wirkung zumeist nicht garantiert werden kann. EP 0 583 736 A1 describes a device for depositing layers of hard material from the group of metal nitrides and carbides on three-dimensional components by reactive magnetron sputtering, wherein the supplied gas is ionized in the plasma of a glow emission source (heating coil). Such plasmas allow only modest improvements in film formation due to the low performance of the source used. In addition, glowing heating coils are very sensitive to coatings with layer-forming particles from the sputtering process, so that their long-term stable effect can usually not be guaranteed.

DE 10 2008 019 202 A1 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkzeugs mit einer nitridischen Hartstoffschicht, bei dem der sich bei geeigneter Anordnung der zu beschichtenden Teile zwischen benachbarten Substraten ausbildende Hohlkatodeneffekt zu einer Erhöhung der Plasmadichte genutzt wird. Dieses Verfahren ist in der Praxis an enge geometrische Vorgaben und Druckbereiche gebunden und nur beschränkt steuerbar. Außerdem weist die hierbei genutzte Hohlkatoden-Glimmentladung nur eine geringe Ionisationswirkung auf. DE 10 2008 019 202 A1 discloses a method for coating a tool with a nitridic hard material layer, in which the case of a suitable arrangement of the parts to be coated between adjacent substrates forming hollow cathode effect is used to increase the plasma density. This method is bound in practice to tight geometric specifications and pressure ranges and limited controllable. In addition, the hollow cathode glow discharge used here has only a low ionization effect.

Aufgabenstellungtask

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Verfahren zum Magnetron-Sputtern für die Herstellung von transparenten, elektrisch leitfähigen Schichten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und einem niedrigen Extinktionskoeffizienten angegeben werden, das sich durch eine hohe Beschichtungsrate sowie eine niedrige Magnetronspannung auszeichnet. Die Anwendung des Verfahrens soll sich einfach in den Produktionsablauf zur Herstellung von optisch wirksamen Dünnschichtsystemen einbinden lassen.The invention is therefore based on the technical problem of providing a method by means of which the disadvantages of the prior art are overcome. In particular, the method according to the invention is intended to specify a method for magnetron sputtering for the production of transparent, electrically conductive layers with high electrical conductivity and a low extinction coefficient, which is characterized by a high coating rate and a low magnetron voltage. The application of the method should be easy to incorporate into the production process for the production of optically effective thin-film systems.

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 Ansprüchen.The solution of the technical problem results from the objects with the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abscheiden einer transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht auf mindestens einem Substrat erfolgt mittels Zerstäuben mindestens eines Targets im Plasma mindestens einer Magnetron-Sputterquelle, wobei das Plasma der Magnetron-Sputterquelle mit dem Plasma einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung zumindest teilweise räumlich überlagert wird.The method according to the invention for depositing a transparent, electrically conductive metal oxide layer on at least one substrate takes place by means of sputtering at least one target in the plasma of at least one magnetron sputtering source, wherein the plasma of the magnetron sputtering source is at least partially spatially superimposed with the plasma of a magnetic field assisted hollow cathode arc discharge.

Unter dem Begriff einer magnetfeldunterstützten Hohlkatode ist im Erfindungssinn eine Einrichtung zu verstehen, umfassend eine Hohlkatode; eine Magnetspule mit einem Magnetfeld, welches zumindest in einem die Hohlkatode durchdringenden Bereich mit Feldlinien ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zur Hohlkatodenachse verlaufen; sowie eine Anode, welche die Hohlkatode zumindest elektronenaustrittsseitig umschließt. Derartige magnetfeldunterstützte Hohlkatoden sind in den Schriften DE 10 2006 027 853 A1 und DE 10 2008 047 198 A1 beschrieben. Der gesamte Offenbarungsgehalt der Schriften DE 10 2006 027 853 A1 und DE 10 2008 047 198 A1 hinsichtlich des Aufbaus einer magnetfeldunterstützen Hohlkatode, des Betreibens einer magnetfeldunterstützten Hohlkatode und somit bezüglich des Zündens und Aufrechterhaltens einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung, wird hiermit vollumfänglich in die Beschreibung der Erfindung eingeschlossen.The term magnetic field-assisted hollow cathode means in the sense of the invention a device comprising a hollow cathode; a magnetic coil having a magnetic field which is formed, at least in a region penetrating the hollow cathode, with field lines which run essentially parallel to the hollow cathode axis; and an anode which encloses the hollow cathode at least electron exit side. Such magnetic field-assisted hollow cathodes are in the publications DE 10 2006 027 853 A1 and DE 10 2008 047 198 A1 described. The entire revelatory content of the scriptures DE 10 2006 027 853 A1 and DE 10 2008 047 198 A1 With regard to the construction of a magnetic field-assisted hollow cathode, the operation of a magnetic field-assisted hollow cathode and thus with respect to the ignition and maintaining a magnetic field-assisted hollow cathode arc discharge, is hereby fully included in the description of the invention.

Eine zum Magnetron-Sputtern verwendete Magnetron-Sputterquelle ist bekannt dafür, dass über der Sputteroberfläche des Magnetron-Targets eine oder mehrere bevorzugt in sich geschlossene Schleifen eines tunnelförmig aus der Sputterfläche aus- und in diese wieder eintretenden Magnetfeldes erzeugt werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird darauf abgezielt, dass möglichst viele der mittels der magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung erzeugten Ladungsträger in einen solchen tunnelförmigen Magnetfeldbereich über der Oberfläche eines Magnetron-Targets gelangen, was durch eine entsprechende Ausrichtung eines Hohlkatodenröhrchens einer magnetfeldunterstützten Hohlkatode realisiert werden kann. Gegenüber dem Magnetron-Sputtern ohne magnetfeldunterstützte Hohlkatoden-Bogenentladung werden auf diese Weise mehr Ladungsträger im tunnelförmigen Magnetfeldbereich eines Magnetrons über der Targetoberfläche eingeschlossen, wodurch sich die Sputterrate, die damit verknüpfte Abscheiderate und auch die Targetausnutzung erhöhen.A magnetron sputtering source used for magnetron sputtering is known for producing one or more preferably self-contained loops of a magnetic field emerging from the sputtering surface and entering it again via the sputtering surface of the magnetron target. In the method according to the invention, it is intended that as many of the charge carriers generated by means of the magnetic field-assisted hollow-cathode arc discharge reach such a tunnel-shaped magnetic field area over the surface of a magnetron target, which can be realized by a corresponding alignment of a hollow cathode tube of a magnetic field-assisted hollow cathode. Compared to magnetron sputtering without magnetic field-assisted hollow cathode arc discharge, more charge carriers in the tunnel-shaped magnetic field region of a magnetron are enclosed over the target surface in this way, which increases the sputtering rate, the associated deposition rate and also the target utilization.

So ist es vorteilhaft, wenn eine magnetfeldunterstützte Hohlkatode beim erfindungsgemäßen Verfahren derart ausgerichtet wird, dass deren Austrittsöffnung auf die Oberfläche eines Magnetron-Targets hinweist oder wenn die magnetfeldunterstützte Hohlkatode seitlich neben einem Magnetron mit einem Maß oberhalb der Magnetron-Targetoberfläche angeordnet wird, wobei die Austrittsöffnung zum Magnetron hin ausgerichtet wird und die Rohrachse der magnetfeldunterstützten Hohlkathode parallel oder mit einem Winkel von bis zu ±5° zur Magnetron-Targetoberfläche verläuft.Thus, it is advantageous if a magnetic field-assisted hollow cathode is aligned in the method according to the invention such that its outlet opening points to the surface of a magnetron target or if the magnetic field-assisted Hollow cathode is arranged laterally next to a magnetron with a degree above the magnetron target surface, wherein the outlet opening is aligned to the magnetron and the tube axis of the magnetic field-assisted hollow cathode parallel or at an angle of up to ± 5 ° to the magnetron target surface.

Wie viele Ladungsträger mittels einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung zusätzlich in das tunnelförmige Magnetfeld einer Magnetron-Sputterquelle eingespeist werden – und somit der Grad der Erhöhung der Sputterrate – hängt beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur von der räumlichen Anordnung von Magnetron und Hohlkatode ab, sondern auch von der elektrischen Leistung, mit welcher die magnetfeldunterstützte Hohlkatoden-Bogenentladung betrieben wird. Dabei geht eine Erhöhung der elektrischen Leistung der magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung mit einer Erhöhung der Anzahl der zusätzlich eingespeisten Ladungsträger und folglich mit einer Erhöhung der Sputterrate einher. Vorteilhafterweise wird die Leistung der magnetfeldunterstützten Hohlkatode mindestens so hoch eingestellt, dass die Sputterrate beim erfindungsgemäßen Verfahren um mindestens 10% und vorzugsweise um mindestens 20% höher ist als bei ausgeschalteter Hohlkatode, also wie beim Magnetron-Sputtern nach dem Stand der Technik.How many charge carriers are additionally fed into the tunnel-shaped magnetic field of a magnetron sputtering source by means of a magnetic field-assisted hollow-cathode arc discharge and thus the degree of increase in the sputtering rate depends not only on the spatial arrangement of magnetron and hollow cathode, but also on the electric power with which the magnetic field assisted hollow cathode arc discharge is operated. In this case, an increase in the electrical power of the magnetic field-assisted hollow-cathode arc discharge is accompanied by an increase in the number of additionally fed charge carriers and consequently an increase in the sputtering rate. Advantageously, the power of the magnetic field-assisted hollow cathode is set at least so high that the sputtering rate in the process according to the invention is at least 10% and preferably at least 20% higher than when the hollow cathode is switched off, ie as in magnetron sputtering according to the prior art.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können auch mehrere magnetfeldunterstützte Hohlkatoden-Bogenentladungen in Verknüpfung mit einer Magnetron-Sputterquelle betrieben werden, was insbesondere bei Magnetrons mit großer Targetoberfläche für das Abscheiden von Schichten mit homogenen Schichteigenschaften vorteilhaft ist. Als Magnetron-Sputterquelle sind bei einem erfindungsgemäßen Verfahren alle aus dem Stand der Technik bekannten Sputter-Magnetrons, wie planare Rechteckmagnetrons, Ringmagnetrons oder rohrförmige und rotierende Magnetrons, einsetzbar. Dabei können die verwendeten Magnetrons für die Magnetron-Entladung wie aus dem Stand der Technik bekannt entweder mit einer Gleichspannung, mit einer unipolar oder mit einer bipolar gepulsten Mittelfrequenz-Spannung im Bereich von 1 kHz bis 200 kHz betrieben werden.In the method according to the invention, it is also possible to operate a plurality of magnetic field-assisted hollow-cathode arc discharges in combination with a magnetron sputtering source, which is advantageous in particular for magnetrons with a large target surface for the deposition of layers with homogeneous layer properties. As a magnetron sputtering source, all sputtering magnetrons known from the prior art, such as planar rectangular magnetrons, ring magnetrons or tubular and rotating magnetrons, can be used in a method according to the invention. The magnetron used for the magnetron discharge as known in the art can be operated either with a DC voltage, with a unipolar or with a bipolar pulsed medium frequency voltage in the range of 1 kHz to 200 kHz.

Überraschend konnte festgestellt werden, dass das räumliche Überlagern eines Magnetron-Plasmas mit dem Plasma einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung nicht nur einen positiven Einfluss auf die Sputter- und Abscheiderate hat, sondern dass eine solche Verfahrensweise auch mit positiven Veränderungen bezüglich der Eigenschaften einer damit abgeschiedenen Schicht einhergeht.Surprisingly, it has been found that the spatial superimposition of a magnetron plasma with the plasma of a magnetic field assisted hollow cathode arc discharge not only has a positive influence on the sputtering and deposition rate, but that such a procedure also with positive changes in the properties of a deposited layer accompanied.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die vorliegende Erfindung – einschließlich der erzielbaren Vorteile bezüglich der Eigenschaften einer erfindungsgemäß abgeschiedenen Schicht – wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:The present invention, including the achievable advantages with regard to the properties of a layer deposited according to the invention, will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. The figures show:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a schematic representation of an apparatus for performing the method according to the invention,

2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Magnetronspannung von der Durchflussmenge eines Arbeitsgases durch eine magnetfeldunterstützte Hohlkatode, 2 a graphical representation of the dependence of the magnetron voltage of the flow rate of a working gas by a magnetic field-assisted hollow cathode,

3, 4 schematische Darstellungen alternativer Vorrichtungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 . 4 schematic representations of alternative devices for carrying out the method according to the invention.

In 1 ist eine Vorrichtung schematisch dargestellt, mit der eine transparente und elektrisch leitfähige ITO-Schicht auf einem Substrat mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeschieden werden kann. Innerhalb einer Arbeitskammer 1 ist eine planare Magnetron-Sputterquelle 2, bestückt mit einem ITO-Target angeordnet. Während des Sputtervorgangs wird auf der Targetoberfläche ein für das Magnetron-Sputtern typischer Sputtergraben 3 (auch race track genannt) ausgebildet. Zum Betreiben der Magnetronentladung ist eine Stromversorgungseinrichtung 4 zwischen der Magnetron-Sputterquelle 2 und dem elektrischen Massepotential der Arbeitskammer 1 geschaltet.In 1 a device is shown schematically, with which a transparent and electrically conductive ITO layer can be deposited on a substrate by means of the method according to the invention. Within a working chamber 1 is a planar magnetron sputter source 2 , equipped with an ITO target. During the sputtering process, a sputtering trench typical of magnetron sputtering is formed on the target surface 3 (also called race track) trained. To operate the magnetron discharge is a power supply device 4 between the magnetron sputter source 2 and the electrical ground potential of the working chamber 1 connected.

Innerhalb der Arbeitskammer 1 befindet sich weiterhin eine magnetfeldunterstützte Hohlkatode, umfassend eine Hohlkatode 5; eine ringförmige Magnetspule 6, welche die Hohlkatode 5 umschließt; sowie eine ringförmige Anode 7, welche die Hohlkatode 5 elektronenaustrittsseitig umschließt. Mittels einer weiteren Stromversorgungseinrichtung 8 wird eine Hohlkatoden-Bogenentladung zwischen Hohlkatode 5 und Anode 7 gezündet und aufrechterhalten. Zum Betreiben der Hohlkatoden-Bogenentladung wird das Arbeitsgas Argon durch die Hohlkatode 5 in die Arbeitskammer 1 eingelassen, wobei die Flussmenge des Arbeitsgases mittels eines Ventils 9 eingestellt werden kann. Die Stärke des Magnetfeldes der Magnetspule 6 wird so hoch eingestellt, dass nach dem Zünden einer Bogenentladung zwischen Hohlkatode 5 und Anode 7 ein Verringern der Flussmenge des Arbeitsgases zum Erhöhen der Plasmadichte und der Plasmaintensität des Hohlkatoden-Plasmas führt, wie es für das Betreiben einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung bekannt ist.Inside the work chamber 1 Furthermore, there is a magnetic field-assisted hollow cathode comprising a hollow cathode 5 ; an annular solenoid 6 which is the hollow cathode 5 surrounds; and an annular anode 7 which is the hollow cathode 5 encloses electron exit side. By means of another power supply device 8th becomes a hollow cathode arc discharge between hollow cathode 5 and anode 7 ignited and sustained. To operate the hollow cathode arc discharge, the working gas is argon through the hollow cathode 5 in the working chamber 1 let in, wherein the flow rate of the working gas by means of a valve 9 can be adjusted. The strength of the magnetic field of the magnetic coil 6 is set so high that after igniting an arc discharge between hollow cathode 5 and anode 7 decreasing the flow rate of the working gas to increase the plasma density and the plasma intensity of the hollow cathode plasma, as is known for operating a magnetic field assisted hollow cathode arc discharge.

Die magnetfeldunterstützte Hohlkatode wird neben einer Stirnseite des Magnetrons 2 angeordnet und derart ausgerichtet, dass die verlängerte Rohrachse der Hohlkatode 5 in Längsausdehnung des Magnetrons 2 betrachtet mittig über dem Magnetron 2 und parallel zur Targetoberfläche des Magnetrons 2 verläuft. Dabei ist die verlängerte Rohrachse der Hohlkatode 5 mit einem Maß von der Targetoberfläche beabstandet, das aus einem einstelligen Zentimeterbereich ausgewählt wird. Die magnetfeldunterstützte Hohlkatode und das Magnetron 2 wurden somit derart zueinander ausgerichtet, dass sich das Plasma der magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung und das Magnetronplasma zumindest teilweise räumlich überlagern. Auf diese Weise werden zusätzliche, aus der Hohlkatoden-Bogenentladung herrührende Ladungsträger in das Magnetronplasma eingespeist, die dort einen erhöhten Sputterabtrag am Magnetrontarget bewirken.The magnetic field-assisted hollow cathode is next to a front side of the magnetron 2 arranged and aligned such that the elongated tube axis of the hollow cathode 5 in longitudinal extension of the magnetron 2 viewed in the center above the magnetron 2 and parallel to the target surface of the magnetron 2 runs. The extended tube axis is the hollow cathode 5 at a distance from the target surface selected from a single digit centimeter range. The magnetic field-assisted hollow cathode and the magnetron 2 were thus aligned with each other so that the plasma of the magnetic field-assisted hollow cathode arc discharge and the magnetron plasma at least partially overlap spatially. In this way, additional charge carriers originating from the hollow cathode arc discharge are fed into the magnetron plasma, which there cause an increased sputtering removal at the magnetron target.

In einem stationären Beschichtungsverfahren wurde zunächst zu Vergleichszwecken eine ITO-Schicht mit einem herkömmlichen Sputterverfahren auf einem Substrat abgeschieden, d. h. die Hohlkatode 5 blieb zunächst außer Funktion. Dabei wurde das Substrat derart über dem Magnetron 2 angeordnet, dass es sich auch noch oberhalb der verlängerten Rohrachse der Hohlkatode 5 befindet. Mit identischer Substratposition wurden auch alle nachfolgend beschriebenen Beschichtungsprozesse durchgeführt. Obwohl bereits das Targetmaterial aus ITO besteht, wurde während des Sputtervorgangs zusätzlich durch einen in 1 nicht dargestellten Einlass das Gas Sauerstoff in die Arbeitskammer 1 eingelassen und der Zufluss des Sauerstoffs derart geregelt, dass in der Arbeitskammer 1 ein Arbeitsdruck von 0,3 Pa aufrechterhalten wurde. Während des Sputterns wurde das Magnetron 2 mit einer konstanten Leistung von 3 kW betrieben, wobei sich eine Magnetronspannung von 265 V einstellte. Bei einer anschließenden Analyse der auf dem Substrat abgeschiedenen ITO-Schicht hinsichtlich des Schichtwiderstandes wurde der für das Magnetron-Sputtern typische Sachverhalt bestätigt, dass insbesondere Schichtbereiche, die dem Sputtergraben 3 direkt gegenüberliegen, einen höheren Schichtwiderstand aufweisen als daran angrenzende Schichtbereiche. Dieser Sachverhalt liegt darin begründet, dass oberhalb des Sputtergrabens das Magnetronplasma besonders dicht ausgebildet ist, dass sich dort also die höchste Dichte von Ladungsträgern befindet, die aufgrund der Magnetronspannung auch in Richtung Substratoberfläche beschleunigt werden und dort beim Auftreffen Schichtdefekte verursachen, was zum Erhöhen des Schichtwiderstands und somit zum Verringern der elektrischen Leitfähigkeit in diesen Schichtbereichen führt. Im Stand der Technik wird daher versucht, die Magnetronspannung zu senken, was nur im Zusammenhang mit einer Erhöhung der Stärke des Magnetronmagnetfeldes geht. Eine Erhöhung der Stärke des Magnetronmagnetfeldes führt jedoch zum Einschnüren der Plasmabereiche hoher Plasmaintensität und somit zu einer geringeren Targetausnutzung.In a stationary coating process, an ITO layer was first deposited on a substrate, ie the hollow cathode, for comparison purposes by a conventional sputtering process 5 initially stayed out of action. The substrate was thus above the magnetron 2 arranged that it is still above the extended tube axis of the hollow cathode 5 located. With identical substrate position, all the coating processes described below were also carried out. Although the target material already consists of ITO, during the sputtering process, an additional in 1 not shown inlet the gas oxygen in the working chamber 1 let in and the inflow of oxygen regulated so that in the working chamber 1 a working pressure of 0.3 Pa was maintained. During sputtering, the magnetron became 2 operated at a constant power of 3 kW, with a magnetron voltage of 265 V set. In a subsequent analysis of the deposited on the substrate ITO layer with respect to the sheet resistance of the typical magnetron sputtering facts was confirmed that particular layer areas, the sputtering trench 3 directly opposite, have a higher sheet resistance than adjacent thereto layer areas. This situation is due to the fact that above the sputter trench, the magnetron plasma is particularly dense, so there is the highest density of charge carriers, which are accelerated due to the magnetron voltage in the direction of the substrate surface and cause there on impact layer defects, resulting in increasing the sheet resistance and thus reduces the electrical conductivity in these layer areas. In the prior art, therefore, attempts are made to lower the magnetron voltage, which is only in connection with an increase in the strength of the magnetron magnetic field. Increasing the strength of the magnetron magnetic field, however, leads to constricting the plasma regions of high plasma intensity and thus to a lower target utilization.

Bei weiteren stationären Beschichtungsprozessen wurde auf identischen Substraten eine ITO-Schicht mit einem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschieden. Auch hierbei wurde zusätzlicher Sauerstoff in die Arbeitskammer 1 eingelassen und dessen Zufluss derart geregelt, dass in der Arbeitskammer 1 ein Druck von 0,3 Pa aufrechterhalten blieb. Während des Zündens einer Hohlkatoden-Bogenentladung zwischen Hohlkatode 5 und Anode 7 wurde das Arbeitsgas Argon zunächst mit einer Flussmenge von 100 sccm durch die Hohlkatode 5 in die Arbeitskammer 1 eingelassen und die Zuflussmenge des Argons anschließend reduziert, wie es für das Betreiben einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung bekannt ist.In further stationary coating processes, an ITO layer was deposited on identical substrates using a method according to the invention. Again, additional oxygen was added to the working chamber 1 let in and its inflow regulated such that in the working chamber 1 a pressure of 0.3 Pa was maintained. During the ignition of a hollow cathode arc discharge between hollow cathode 5 and anode 7 The working gas argon was first passed through the hollow cathode with a flow rate of 100 sccm 5 in the working chamber 1 and the inflow rate of the argon is subsequently reduced, as is known for operating a magnetic field assisted hollow cathode arc discharge.

Die Abhängigkeit der Magnetronspannung von der Durchflussmenge des Argons durch die Hohlkatode 5 sowie vom elektrischen Strom der Magnetspule 6 ist in 2 graphisch dargestellt. Zunächst einmal repräsentiert der mit dem Viereck dargestellte Messwert bei einer Magnetronspannung von etwa 265 V einen Sputtervorgang nach dem Stand der Technik, also ohne Hohlkatoden-Bogenentladung. Bei der Kennlinie, bei der die Messwerte in Form von Kreisen dargestellt sind, wurde die Magnetspule 6 mit einem Spulenstrom von 20 A und bei der Kennlinie, bei der die Messwerte in Form von Dreiecken dargestellt sind, wurde die Magnetspule 6 mit einem Spulenstrom von 30 A betrieben.The dependence of the magnetron voltage on the flow rate of argon through the hollow cathode 5 as well as the electric current of the magnetic coil 6 is in 2 shown graphically. First of all, the measured value represented by the quadrilateral represents, at a magnetron voltage of approximately 265 V, a sputtering process according to the prior art, that is to say without a hollow-cathode arc discharge. In the characteristic curve in which the measured values are shown in the form of circles, the magnetic coil became 6 with a coil current of 20 A and in the characteristic curve in which the measured values are represented in the form of triangles, the magnetic coil became 6 operated with a coil current of 30 A.

Aus 2 ist zunächst einmal ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Betreiben einer Hohlkatode zusätzlich zum Magnetron-Sputtern eine Absenkung der Magnetronspannung bewirkt. Der Grafik ist außerdem entnehmbar, dass Maßnahmen, welche eine Erhöhung der Plasmadichte der magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung bewirken, zu einer weiteren Absenkung des Magnetronspannung führen. So hat sowohl das Verringern der Flussmenge des die Hohlkatode 5 durchströmenden Argons als auch das Erhöhen des die Magnetspule 6 durchfließenden elektrischen Stroms – beides sind Maßnahmen zum Erhöhen der Plasmadichte einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung – ein Absenken der Magnetronspannung zur Folge. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Plasmadichte der magnetfeldunterstützten Hohlkatode mindestens so hoch eingestellt, dass die Brennspannung der Magnetron-Entladung beim erfindungsgemäßen Verfahren um mindestens 10% und vorzugsweise um mindestens 20% geringer ist als bei ausgeschalteter Hohlkatode also wie beim Magnetron-Sputtern nach dem Stand der Technik.Out 2 First, it can be seen that the operation according to the invention of a hollow cathode causes a lowering of the magnetron voltage in addition to magnetron sputtering. It can also be seen from the graph that measures which cause an increase in the plasma density of the magnetic field-assisted hollow-cathode arc discharge lead to a further decrease in the magnetron voltage. Thus, both reducing the flow rate of the hollow cathode 5 flowing argon as well as increasing the solenoid coil 6 flowing electrical current - both measures to increase the plasma density of a magnetic field-assisted hollow cathode arc discharge - a lowering of the magnetron voltage result. In a preferred embodiment, the plasma density of the magnetic field-assisted hollow cathode is set at least so high that the burning voltage of the magnetron discharge in the process according to the invention by at least 10% and preferably at least 20% less than when switched hollow cathode so as in magnetron sputtering after the state of the technique.

Das Absenken der Magnetronspannung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik bewirkt, dass Ladungsträger aus dem Magnetronplasma heraus nur noch mit einer geringeren elektrischen Spannung in Richtung Substrat beschleunigt werden. Dies führt wiederum zu weniger Schichtdefekten innerhalb der auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum Abscheiden elektrisch leitfähiger Schichten geeignet, weil bei diesen Schichten eine geringere Anzahl von Schichtdefekten gleichbedeutend mit einem geringeren Schichtwiderstand bzw. mit einer besseren elektrischen Leitfähigkeit ist. Das erfindungsgemäße Verfahren geht somit sowohl mit einer höheren Sputterrate als auch mit verbesserten Schichteigenschaften einher. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Plasmadichte der magnetfeldunterstützten Hohlkatode deshalb mindestens so hoch eingestellt, dass die elektrische Leitfähigkeit einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedenen Schicht um mindestens 20% und vorzugsweise um mindestens 50% höher ist als bei einer Schicht, die mit ausgeschalteter Hohlkatode, also wie beim Magnetron-Sputtern nach dem Stand der Technik, abgeschieden wurde.The lowering of the magnetron voltage in a method according to the invention compared The effect of the prior art is that charge carriers are accelerated out of the magnetron plasma only with a lower electrical voltage in the direction of the substrate. This in turn leads to fewer layer defects within the layer deposited on a substrate. Therefore, the inventive method is particularly suitable for the deposition of electrically conductive layers, because in these layers a smaller number of layer defects is equivalent to a lower sheet resistance or with a better electrical conductivity. The method according to the invention is thus accompanied both with a higher sputtering rate and with improved layer properties. In a further embodiment, the plasma density of the magnetic field-assisted hollow cathode is therefore set at least so high that the electrical conductivity of a layer deposited by the method according to the invention is at least 20% and preferably at least 50% higher than in the case of a layer which is switched off with hollow cathode as in the magnetron sputtering according to the prior art, was deposited.

Eine weitere signifikante Verbesserung der Eigenschaften erfindungsgemäß abgeschiedener Schichten konnte hinsichtlich des Extinktionskoeffizienten – ein Parameter, von dem Aussagen bezüglich der Absorption und somit auch bezüglich der Transparenz einer Schicht ableitbar sind – festgestellt werden. Je geringer der Extinktionskoeffizient einer Schicht ist, umso geringer ist deren Absorption und umso höher ist deren Transparenz. Auch auf diesen Parameter einer erfindungsgemäß abgeschiedenen Schicht übt die Plasmadichte bzw. die Leistung einer magnetfeldunterstützten Hohlkatode einen direkten Einfluss dahingehend aus, dass eine Erhöhung der Plasmadichte bzw. der Leistung einer magnetfeldunterstützten Hohlkatode mit dem Sinken des Extinktionskoeffizienten der abgeschiedenen Schicht einhergeht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Schichten abscheiden, deren Extinktionskoeffizient um über 50% geringer ist als bei Schichten, die mit Sputter-Verfahren aus dem Stand der Technik abgeschieden wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb auch besonders für das Abscheiden transparenter Schichten geeignet und kann dabei ohne größeren technischen Aufwand in den Herstellungsprozess von optisch wirksamen Dünnschichtsystemen eingebunden werden. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Plasmadichte der magnetfeldunterstützten Hohlkatode deshalb mindestens so hoch eingestellt, dass der Extinktionskoeffizient einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedenen Schicht um mindestens 20% und vorzugsweise um mindestens 50% geringer ist als bei einer Schicht, die mit ausgeschalteter Hohlkatode, also wie beim Magnetron-Sputtern nach dem Stand der Technik, abgeschieden wurde.A further significant improvement in the properties of deposited layers according to the invention could be determined with regard to the extinction coefficient, a parameter from which statements regarding the absorption and thus also with respect to the transparency of a layer can be derived. The lower the extinction coefficient of a layer, the lower its absorption and the higher its transparency. Also on this parameter of a layer deposited according to the invention, the plasma density or the power of a magnetic field-assisted hollow cathode exerts a direct influence to the effect that an increase in the plasma density or the power of a magnetic field-assisted hollow cathode is accompanied by the decrease in the extinction coefficient of the deposited layer. With the method according to the invention, it is possible to deposit layers whose extinction coefficient is lower by more than 50% than in the case of layers which have been deposited by sputtering methods of the prior art. The method according to the invention is therefore also particularly suitable for depositing transparent layers and can be incorporated into the manufacturing process of optically effective thin-layer systems without major technical effort. In a further embodiment, the plasma density of the magnetic field-assisted hollow cathode is therefore set at least so high that the extinction coefficient of a layer deposited by the method according to the invention is at least 20% and preferably at least 50% lower than in the case of a layer which is switched off with hollow cathode, ie when magnetron sputtering according to the prior art, was deposited.

Das räumliche Überlagern eines Magnetronplasmas mit dem Plasma einer magnetfeldunterstützten Hohlkatoden-Bogenentladung hat aber nicht nur positive Auswirkungen. So führt das daraus resultierende dichtere Gesamtplasma auch zu einer stärkeren Erwärmung eines zu beschichtenden Substrates, was insbesondere bei einigen Kunststoffsubstraten einen zusätzlichen Kühlbedarf erforderlich machen kann. Generell gilt aber, dass es beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Einschränkungen hinsichtlich des Substratmaterials gibt. Positiv wirkt sich dieser zusätzliche Wärmeeffekt hingegen insbesondere beim Abscheiden von kristallinen Schichten aus, bei dem ein Substrat oftmals vor dem Abscheiden der Schicht einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen wird, weil kristalline Schichten besonders gut bei erhöhten Temperaturen ausgebildet werden können. So wurden auch alle bei den Ausführungsbeispielen beschriebenen Abscheideprozesse mit kalten bzw. mit nicht zusätzlich erwärmten Substraten durchgeführt.However, the spatial superimposition of a magnetron plasma with the plasma of a magnetic field-assisted hollow-cathode arc discharge not only has positive effects. Thus, the resulting denser total plasma also leads to a greater heating of a substrate to be coated, which may require an additional cooling requirement, in particular for some plastic substrates. In general, however, there are no restrictions with regard to the substrate material in the process according to the invention. On the other hand, this additional heat effect has a positive effect on the deposition of crystalline layers, in which a substrate is often subjected to an additional heat treatment before the deposition of the layer, because crystalline layers can be formed particularly well at elevated temperatures. Thus, all the deposition processes described in the exemplary embodiments were carried out with cold or with not additionally heated substrates.

Neben dem Beschichten eines stationär über dem Magnetron 2 angeordneten Substrates kann das erfindungsgemäße Verfahren aber auch vorteilhaft bei Beschichtungsprozessen angewendet werden, bei denen ein bandförmiges oder plattenförmiges Substrat beispielsweise in einer Richtung quer zur Längsausdehnung des Magnetrons 2 über das Magnetron 2 hinweg bewegt wird.In addition to coating a stationary over the magnetron 2 arranged substrate, the inventive method can also be used advantageously in coating processes in which a band-shaped or plate-shaped substrate, for example, in a direction transverse to the longitudinal extent of the magnetron 2 over the magnetron 2 is moved away.

In 3 ist eine alternative Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Die Vorrichtung aus 3 umfasst zunächst einmal alle aus 1 bekannten Vorrichtungselemente, die bei deren Anwendung in der Vorrichtung aus 3 baulich und funktional identisch sind. Zusätzlich weist die Vorrichtung aus 3 noch eine zweite identische magnetfeldunterstützte Hohlkatode auf, die an der zweiten Stirnseite des Magnetrons 2 spiegelsymmetrisch zur ersten magnetfeldunterstützten Hohlkatode angeordnet wurde. Mit einer solchen Ausführungsform lässt sich insbesondere bei längeren Magnetrons ein homogeneres Gesamtplasma über dem Target des Magnetrons 2 ausbilden, was zu homogeneren Eigenschaften einer abgeschiedenen Schicht führt. In 3 werden die zwei magnetfeldunterstützten Hohlkatoden jeweils mit einer separaten DC-Stromversorgungseinrichtung 8 betrieben. Alternativ kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem mindestens zwei magnetfeldunterstützte Hohlkatoden zum Einsatz gelangen, aber auch nur eine einzige, beispielsweise bipolar gepulste Stromversorgungseinrichtung zwischen die beiden Hohlkatoden 5 geschaltet werden.In 3 an alternative device for carrying out the method according to the invention is shown schematically. The device off 3 first of all includes all 1 known device elements that in their application in the device 3 structurally and functionally identical. In addition, the device exhibits 3 still a second identical magnetic field-assisted Hohlkatode on the second end face of the magnetron 2 was arranged mirror-symmetrically to the first magnetic field-assisted hollow cathode. With such an embodiment, it is possible, in particular for longer magnetrons, to produce a more homogeneous overall plasma over the target of the magnetron 2 form, resulting in more homogeneous properties of a deposited layer. In 3 The two magnetic field-assisted hollow cathodes are each provided with a separate DC power supply 8th operated. Alternatively, in a method according to the invention, in which at least two magnetic field-assisted hollow cathodes are used, but also only a single, for example bipolar pulsed power supply device between the two hollow cathodes 5 be switched.

Weil die Ausführungsbeispiele lediglich anhand des Targetmaterials ITO beschrieben sind, sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass die zuvor genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur auf das Abscheiden von ITO-Schichten begrenzt sind. Diese positiven Effekte konnten auch bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit anderen Targetmaterialien – wie beispielsweise mit Targets, die mindestens eines der Elemente Zinn, Zink, Magnesium, Indium oder Titan aufweisen – beobachtet werden. Dabei können sowohl metallische Sputtertargets als auch elektrisch leitfähige, keramische Sputtertargets, welche einen Sauerstoffanteil aufweisen, verwendet werden. Aufgrund der Gesamtheit aller beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses insbesondere für das Abscheiden von transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschichten geeignet, wobei der Abscheideprozess reaktiv in Folge des Einlasses eines sauerstoffhaltigen Reaktivgases in die Arbeitskammer oder auch nicht reaktiv betrieben werden kann.Because the embodiments are described only on the basis of the target material ITO, it should be expressly mentioned at this point that the previously mentioned advantages of the method according to the invention are not limited to the deposition of ITO layers. These positive effects could also be observed when carrying out the process according to the invention with other target materials, for example with targets having at least one of the elements tin, zinc, magnesium, indium or titanium. In this case, both metallic sputtering targets and electrically conductive, ceramic sputtering targets, which have an oxygen content, can be used. Due to the totality of all described advantages of the method according to the invention, this is particularly suitable for the deposition of transparent, electrically conductive metal oxide layers, wherein the deposition process can be operated reactively as a result of the inlet of an oxygen-containing reactive gas in the working chamber or non-reactive.

Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wurden Vorrichtungen beschrieben, bei denen nur eine Magnetron-Sputterquelle zum Einsatz gelangt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch beim Zusammenwirken mehrerer Magnetron-Sputterquellen verwendet werden. Eine solche alternative Vorrichtung ist in 4 schematisch dargestellt. Die hier gezeigte Vorrichtung umfasst zwei Magnetron-Sputterquellen 10, zwischen denen eine bipolar gepulste Stromversorgungseinrichtung 11 geschaltet ist. Mit solch einer Vorrichtung lassen sich alle Vorteile und Merkmale des bipolaren Magnetrons-Sputterns mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpfen. Die Vorrichtung umfasst ferner zwei magnetfeldunterstützte Hohlkatoden, die an den Stirnseiten der Magnetron-Sputterquellen 10 spiegelsymmetrisch gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich die verlängerten Rohrachsen der Hohlkatoden 5 mittig zwischen den Magnetron-Sputterquellen 10 erstrecken.In the previous embodiments, devices have been described in which only one magnetron sputtering source is used. However, the method according to the invention can also be used in the interaction of several magnetron sputter sources. Such an alternative device is in 4 shown schematically. The device shown here comprises two magnetron sputtering sources 10 between which a bipolar pulsed power supply device 11 is switched. With such a device, all the advantages and features of bipolar magnetron sputtering can be combined with the method according to the invention. The device further comprises two magnetic field-assisted hollow cathodes which are arranged on the end faces of the magnetron sputtering sources 10 are arranged mirror-symmetrically opposite, with the elongated tube axes of the hollow cathodes 5 centered between the magnetron sputtering sources 10 extend.

Bei einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher Magnetrons mit sehr großer Targetoberfläche oder bei welcher mehrere Magnetrons zum Einsatz gelangen, können auch mehr als nur zwei magnetfeldunterstützte Hohlkatoden verwendet werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, eine oder mehrere magnetfeldunterstützte Hohlkatoden an einer oder an beiden Längsseiten eines Magnetrons anzuordnen. Und wie schon einmal erwähnt, können bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen anstatt eines planaren Sputter-Magnetrons auch alle anderen aus dem Stand der Technik bekannten Sputter-Magnetronarten eingesetzt werden.In a device for carrying out the method according to the invention, in which magnetrons with a very large target surface or in which several magnetrons are used, more than just two magnetic field-assisted hollow cathodes can be used. It is of course also possible to arrange one or more magnetic field-assisted hollow cathodes on one or both longitudinal sides of a magnetron. And, as already mentioned, in all described embodiments, instead of a planar sputter magnetron, all other sputtering magnetron types known from the prior art can also be used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5,180,476 A [0004]
EP 0583736 A1 [0007]
DE 102008019202 A1 [0008]
DE 102006027853 A1 [0012, 0012]
DE 102008047198 A1 [0012, 0012]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"Low ohm large area ITO coating by reactive magnetron sputtering in DC and MF mode"; J. Strumpfel, C. May; Vacuum 59 (2000) 500-505 [0005]

Claims

Method for depositing a transparent, electrically conductive metal oxide layer on at least one substrate by sputtering at least one target in the plasma of at least one magnetron sputtering source ( 2 ) within a working chamber ( 1 ), characterized in that the plasma of the magnetron sputtering source ( 2 ) is at least partially superimposed with the plasma of at least one magnetic field assisted hollow cathode arc discharge.

Method according to Claim 1, characterized in that at least one DC voltage-operated magnetron sputtering source ( 2 ) is used.

Method according to Claim 1, characterized in that at least one magnetron sputtering source operated with a unipolar or bipolar pulsed voltage ( 10 ) is used.

Method according to Claim 1, characterized in that at least one hollow cathode operated with a DC voltage ( 5 ) is used.

Method according to claim 1, characterized in that at least two hollow cathodes ( 5 ) between which a bipolar pulsed power supply is switched.

A method according to claim 5, characterized in that a target is used, which has at least one of the elements tin, zinc, magnesium, indium or titanium.

A method according to claim 1, characterized in that an electrically conductive ceramic target is used.

A method according to claim 1, characterized in that indium-tin oxide is used as a target.

A method according to claim 1, characterized in that an oxygen-containing reactive gas in the working chamber ( 1 ) is admitted.