DE102017102569A1 - Layer system with a blackening layer, and method and sputtering target for producing the same - Google Patents
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Abstract
Bekannte Schichtsysteme mit einem Substrat, mit einer metallischen Leiterschicht, und mit einer Schwärzungsschicht, die Kupfer und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthält und die mindestens einseitig auf der metallischen Leiterschicht aufgebracht ist, weisen eine visuelle Reflexion Rvon weniger als 10% auf. Um davon ausgehend ein Schichtsystem zu entwickeln, das es erlaubt, eine metallische Schicht reproduzierbar zu schwärzen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Schwärzungsschicht als Hauptphase kristallines Cu(II)-Oxid mit einem Volumenanteil von mindestens 70% enthält.Known layer systems with a substrate, with a metallic conductor layer, and with a blackening layer containing copper and oxygen as main components and which is applied on at least one side on the metallic conductor layer have a visual reflection R of less than 10%. In order to develop therefrom a layer system which allows a metallic layer to be reproducibly blackened, it is proposed according to the invention that the blackening layer contains, as the main phase, crystalline Cu (II) oxide with a volume fraction of at least 70%.
Description
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit einem Substrat, mit einer metallischen Leiterschicht, und mit einer Schwärzungsschicht, die Kupfer und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthält und die mindestens einseitig auf der metallischen Leiterschicht aufgebracht ist, wobei das Schichtsystem bei Betrachtung durch die Schwärzungsschicht eine visuelle Reflexion Rv von weniger als 10% aufweist.The invention relates to a layer system with a substrate, with a metallic conductor layer, and with a blackening layer containing copper and oxygen as main components and which is applied on at least one side on the metallic conductor layer, wherein the layer system when viewed through the blackening layer, a visual reflection R v of less than 10%.
Außerdem geht es in der Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung einer Kupfer und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthaltenen Schwärzungsschicht eines derartigen Schichtsystems, umfassend einen Prozess des Sputterns, indem ein kupferhaltiges Sputtertarget in einer Abscheidekammer abgesputtert wird.In addition, the invention relates to a method for producing a blackening layer of such a layer system containing copper and oxygen as main components, comprising a process of sputtering by sputtering a copper-containing sputtering target in a deposition chamber.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Sputtertarget zur Herstellung einer Kupfer und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthaltenen Schwärzungsschicht eines derartigen Schichtsystems, sowie um ein Verfahren zur Herstellung eines dafür geeigneten Sputtertargets.Moreover, the invention relates to a sputtering target for producing a blackening layer of such a layer system containing copper and oxygen as main components, and to a method for producing a sputtering target suitable for this purpose.
In Flüssigkristall-Displays wird auf sichtbaren elektrisch leitenden, metallischen Strukturen, wie beispielsweise auf metallischen Leiterbahnen, eine Licht absorbierende Schicht aufgetragen, die störende, metallische Reflexionen vermindert. Diese Beschichtung kann aus einer Lage oder aus mehreren Lagen bestehen und wird im Folgenden auch als „Schwärzungsschicht“ bezeichnet.In liquid crystal displays, a light-absorbing layer is applied to visible, electrically conductive, metallic structures, such as, for example, metallic conductor tracks, which reduces disruptive, metallic reflections. This coating can consist of one layer or of several layers and is also referred to below as the "blackening layer".
In der Regel wird die Schwärzungsschicht durch Abscheiden mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) erzeugt. Dabei werden Atome oder Verbindungen aus einem Festkörper, dem Sputtertarget, durch Beschuss mit energiereichen Ionen (üblicherweise Edelgasionen) herausgelöst und gehen in die Gasphase über. Die in der Gasphase befindlichen Atome oder Moleküle werden schließlich durch Kondensation auf einem in der Nähe des Sputtertargets befindlichen Substrat abgeschieden und bilden dort eine Schicht aus.As a rule, the blackening layer is produced by means of sputtering. Here are atoms or compounds from a solid, the sputtering target, by bombardment with high-energy ions (usually rare gas ions) dissolved out and go into the gas phase. The gaseous phase atoms or molecules are finally deposited by condensation on a substrate located near the sputtering target, where they form a layer.
Beim „DC-Sputtern“ (direct current sputtering) wird zwischen dem als Kathode geschalteten Target und einer Anode (häufig das Anlagengehäuse) eine Gleichspannung angelegt. Durch Stoßionisation von Inertgasatomen bildet sich im evakuierten Gasraum ein Niederdruckplasma, dessen positiv geladene Bestandteile durch die angelegte Gleichspannung als dauerhafter Teilchenstrom in Richtung auf das Sputtertarget beschleunigt werden und beim Aufprall Teilchen aus dem Targetwerkstoff herausgeschlagen, die sich wiederum in Richtung auf das Substrat bewegen und sich dort als Schicht niederschlagen.In "DC sputtering", a DC voltage is applied between the target connected to the cathode and an anode (often the plant housing). By impact ionization of inert gas atoms is formed in the evacuated gas space, a low-pressure plasma whose positively charged components are accelerated by the applied DC voltage as a permanent particle flow in the direction of the sputtering target and knocked out of the target material particles upon impact, which in turn move in the direction of the substrate and precipitate there as a layer.
Das DC-Sputtern erfordert ein elektrisch leitfähiges Targetmaterial, da sich andernfalls das Target infolge des dauerhaften Stroms elektrisch geladener Teilchen aufladen und damit das Gleichspannungsfeld kompensiert würde. Andererseits ist gerade diese Sputtermethode geeignet, Schichten besonders hoher Qualität auf wirtschaftliche Weise zu liefern, so dass ihr Einsatz angestrebt wird. Dies trifft auch für das technologisch verwandte „MF-Sputtern“ zu, bei dem zwei Sputtertargets wechselseitig im kHz-Rhythmus als Kathode und Anode geschaltet werden. Beide genannten Methoden, das DC-Sputtern und das „MF-Sputtern“, werden im Folgenden unter dem Begriff „Gleichspannungssputtern“ oder als „Sputtern unter Gleichspannungsentladung“ zusammengefasst.The DC sputtering requires an electrically conductive target material, since otherwise the target would charge due to the permanent current of electrically charged particles and thus the DC field would be compensated. On the other hand, it is precisely this sputtering method is suitable to provide layers of particularly high quality in an economical manner, so that their use is sought. This also applies to the technologically related "MF sputtering", in which two sputtering targets are switched alternately in the kHz rhythm as the cathode and anode. Both methods mentioned, the DC sputtering and the "MF sputtering" are summarized below under the term "DC sputtering" or as "sputtering under DC discharge".
Stand der TechnikState of the art
Das aus der
Für die Herstellung des Schichtsystems wird ein Sputtertarget eingesetzt, das aus einem oxidischen Werkstoff mit Sauerstoffmangel besteht, der entweder durch eine reduzierte Oxidphase von unterstöchiometrischem Oxid oder Oxinitrid auf der Basis von Nb2O5-x, TiO2-x, MoO3-x, WO3-x, V2O5-x (x>0) oder deren Mischungen allein, oder durch die reduzierte Oxidphase zusammen mit einer metallischen Beimischung eingestellt wird. Die Schwärzungsschicht besteht aus einem Oxid oder aus einem Oxinitrid mit unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt und wird unter Einsatz dieses Sputtertargets durch DC- oder MF-Sputtern in einer Sputter-Atmosphäre abgeschieden, die ein Edelgas und ein Reaktivgas in Form von Sauerstoff und/oder Stickstoff mit einem Anteil von maximal 10 Vol.-% enthält. Dabei unterschiedet sich der Anteil an Sauerstoff und Stickstoff im Material des Sputtertargets vom Anteil an Sauerstoff und Stickstoff im Oxid oder Oxinitrid der Schwärzungsschicht nicht oder um maximal +-20%.For the production of the layer system, a sputtering target is used, which consists of an oxidic material with oxygen deficiency, either by a reduced oxide phase of substoichiometric oxide or oxynitride based on Nb 2 O 5-x , TiO 2-x , MoO 3-x , WO 3-x , V 2 O 5-x (x> 0) or mixtures thereof alone, or by the reduced oxide phase is adjusted together with a metallic admixture. The blackening layer consists of an oxide or an oxo-oxynitride with substoichiometric oxygen content and is deposited using this sputtering target by DC or MF sputtering in a sputtering atmosphere containing a noble gas and a reactive gas in the form of oxygen and / or nitrogen in a proportion of not more than 10% by volume. In this case, the proportion of oxygen and nitrogen in the Material of the sputtering target of the proportion of oxygen and nitrogen in the oxide or oxynitride of the blackening layer not or by a maximum of + -20%.
Ähnliche schwarze Schichten auf Basis von ZnO+Nb2O5+Mo, Sputtertarget-Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren sind auch aus der
Die
Für die direkte Abscheidung derartiger Mehrkomponenten-Schichten durch Magnetronsputtern in einer Sputter-Atmosphäre ohne Reaktivgas sind Cermet-Sputtertargets mit einer demensprechenden Zusammensetzung erforderlich. Die Herstellung derartiger Sputtertargets erfolgt typischerweise unter Einsatz keramischer Pulver und Metallpulver durch Heißpressen in Grafitformen unter Vakuum oder durch Sintern an Luft. Dabei erweist sich die Einstellung einer homogenen Verteilung von Oxiden und Metallpartikeln mit hoher Dichte im Targetwerkstoff als schwierig, insbesondere wenn die Partikelgrößen der Legierungskomponenten unterschiedlich sind, kann es leicht zu Segregationen kommen. Eine gleichmäßige Verteilung ist aber für einen stabilen Sputterprozess jedoch sehr wichtig, insbesondere wenn einzelne Phasen oder Komponenten schlecht leitfähig sind, wie dies bei vielen Oxiden der Fall ist.For the direct deposition of such multi-component layers by magnetron sputtering in a sputtering atmosphere without reactive gas cermet sputtering targets are required with a demensprechenden composition. The preparation of such sputtering targets is typically carried out using ceramic powders and metal powders by hot pressing in graphite molds under vacuum or by sintering in air. The adjustment of a homogeneous distribution of oxides and metal particles with high density in the target material proves difficult, especially when the particle sizes of the alloy components are different, segregations can easily occur. However, a uniform distribution is very important for a stable sputtering process, especially if individual phases or components are poorly conductive, as is the case with many oxides.
Bei der Herstellung der Schichtsysteme und bei ihrer Implementierung in komplexe Schichtaufbauten sind Trocken- oder Nassätzvorgänge erforderlich. In der Beschichtungsindustrie gängige Ätzlösungen auf Basis von HCI, HNO3,H3PO4, H2SO4, CH3COOH, H2O2, K2SO3, K2SO4, K2S2O5, K2HSO5, KHSO4 und ggf. auch chlor- oder fluorhaltigen Salzen oder Verbindungen wie z.B. FeCl2, NH4F, H5F2N, NaHF2, KHF2 sind beispielsweise aus
Cermet-Schichtsysteme sind in der Regel jedoch nur schwierig ätzbar, da Bereiche aus metallischer Phase andere Ätzmittel benötigen als die oxidische Matrix. Auch Plasmaätzen hat sich als schwierig erwiesen. So wird beispielsweise bei Kombinationen aus einem Oxid und einem Edelmetall überwiegend das Oxid geätzt, so dass Metallpartikel übrig bleiben und die Sputteranlage und nachfolgende Substrate kontaminieren können.Cermet layer systems, however, are generally difficult to etch, as regions of metallic phase require etchants other than the oxide matrix. Plasma etching has also proved difficult. Thus, for example, in the case of combinations of an oxide and a noble metal, the oxide is predominantly etched, so that metal particles remain and can contaminate the sputtering system and subsequent substrates.
Die oben erwähnten Nachteile vermeidet ein gattungsgemäßes Schichtsystem für die Elektroden eines berührungsempfindlichen Bildschirms (Panel), wie es aus der
Technische AufgabenstellungTechnical task
Um störende Reflexionen zu vermeiden, soll das Schichtsystem grundsätzlich eine hohe Absorption und eine geringe Reflektion im sichtbaren Spektralbereich zeigen. Es hat sich gezeigt, dass bekannte Schichtsysteme mit einer Schwärzungsschicht aus Kupferoxinitrid als Hauptkomponente diese Anforderungen nicht reproduzierbar erfüllen.In order to avoid disturbing reflections, the layer system should in principle show a high absorption and a low reflection in the visible spectral range. It has been found that known layer systems with a blackening layer of copper oxynitride as the main component do not meet these requirements reproducibly.
Außerdem sollten Leiterschicht und Schwärzungsschicht aus Qualitätserwägungen und wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise durch DC- oder MF-Sputtern herstellbar sein, was einen elektrisch leitenden Targetwerkstoff voraussetzt. Das im Stand der Technik angewandte reaktive Sputtern eines Kuper-Targets stellt eine kostengünstigste Lösung hinsichtlich des Sputtertargets dar, da Cu-Targets großindustriell auch mit hohen Reinheiten verfügbar sind.In addition, the conductor layer and the blackening layer should preferably be producible by DC or MF sputtering due to quality considerations and economic reasons, which requires an electrically conductive target material. The reactive sputtering of a copper target used in the prior art represents a most cost-effective solution with regard to the sputtering target, since Cu targets are also available industrially with high purities.
Nachteilig beim reaktiven Gleichspannungs-Magnetronsputtern ist allerdings, dass es zu einer sogenannten „Targetvergiftung“ durch einen hohen Bedeckungsgrad des Targets mit Metalloxid oder anderen Metallverbindungen kommen kann, wodurch sich die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten verändern.A disadvantage of reactive DC magnetron sputtering, however, is that it can lead to a so-called "target poisoning" by a high degree of coverage of the target with metal oxide or other metal compounds, thereby changing the properties of the deposited layers.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Schichtsystem zu entwickeln, das es erlaubt, eine metallische Schicht - wie etwa Leiterbahnen, Elektroden und dergleichen, die beispielsweise aus Al, Ag, Cu, Mo, W, Ni, Ti und Legierungen davon bestehen können - mittels einer dünnen Schicht so zu schwärzen, dass keine störenden metallischen Reflexe mehr auftreten. It is therefore an object of the invention to develop a layer system which allows a metallic layer - such as tracks, electrodes and the like, which may consist for example of Al, Ag, Cu, Mo, W, Ni, Ti and alloys thereof - To blacken by means of a thin layer so that no disturbing metallic reflections occur more.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Sputtertarget sowie ein Abscheideverfahren für solche schwarzen Überzüge auf Leiterschichten mit möglichst hoher Beschichtungsrate bei möglichst gleichbleibenden Schichteigenschaften zu entwickeln. Das Sputtertarget soll dabei vorzugsweise in einem reaktiven DC- oder MF-Sputterprozess einsetzbar sein, wobei einer „Targetvergiftung“ vermieden wird.A further object is to develop a sputtering target as well as a deposition method for such black coatings on conductor layers with the highest possible coating rate while keeping the coating properties as constant as possible. The sputtering target should preferably be usable in a reactive DC or MF sputtering process, avoiding "target poisoning".
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Das erfindungsgemäße Licht absorbierende SchichtsystemThe light-absorbing layer system according to the invention
Hinsichtlich des Schichtsystems wird diese Aufgabe ausgehend von einem Schichtsystem der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schwärzungsschicht als Hauptphase kristallines Cu(II)-Oxid mit einem Volumenanteil von mindestens 70% enthält.With regard to the layer system, this object is achieved on the basis of a layer system of the type mentioned above in that the blackening layer contains as the main phase crystalline Cu (II) oxide with a volume fraction of at least 70%.
Ziel der Erfindung ist es, mit einer Schwärzungsschicht eine dahinter liegende Leiterschicht für einen Betrachter zu schwärzen. Es hat es sich jedoch gezeigt, dass es ungünstig ist, von Schichtsystemen auszugehen, bei denen die Deckschichten einen sehr hohen Absorptionsgrad aufweisen, wie beispielsweise Schwärzungsschichten mit einem Absorptionskoeffizienten κ (kappa) von mehr als 0,70 (bei der Wellenlänge 550 nm), wie aus dem oben genannten Stand der Technik empfohlen. Es zeigt sich, dass die Deckschicht dann besonders gute Schwärzungseigenschaften zeigt, wenn sie nur wenig absorbierend ist und der Absorptionskoeffizient κ (kappa) unterhalb 0,7 liegt und zwar im Bereich von 0,4 bis 0,69. Dieses Kriterium wird erfüllt, wenn die Schwärzungsschicht als Hauptkomponenten Kupfer und Sauerstoff enthält, wobei die Hauptphase kristallines Cu(II)-Oxid ist, wobei Hauptphase bedeutet, dass sie im Schichtwerkstoff einen Volumenanteil von mindestens 70% ausmacht. Die vergleichsweise geringe Absorption wird durch eine Kupferoxid-haltige Matrix ohne oder allenfalls mit niedrigem Metallgehalt erreicht. Der visuelle Schwärzungseindruck für den Betrachter beruht hierbei nicht nur auf Lichtabsorption in der Schwärzungsschicht, sondern auch auf auslöschender Interferenz zwischen den an Leiterschicht und Schwärzungsschicht reflektierten Strahlungsanteilen.The aim of the invention is to blacken with a blackening layer an underlying conductor layer for a viewer. However, it has been shown that it is unfavorable to start from layer systems in which the cover layers have a very high degree of absorption, such as, for example, blackening layers with an absorption coefficient κ (kappa) of more than 0.70 (at the
Für den Absorptionsindex kappa (κ) gilt:
n*kappa=k,
mit k=Extinktionskoeffizient, der wiederum in die komplexe Brechzahl
N=n+i*k
eingeht und mittels dem ein Dämpfungsbeitrag durch den Imaginärteil im Brechungsindex der Schicht berücksichtigt wird.For the absorption index kappa (κ):
n * kappa = k,
with k = extinction coefficient, which in turn into the complex refractive index
N = n + i k *
is received and by means of a damping contribution by the imaginary part in the refractive index of the layer is taken into account.
Der molare Anteil der Hauptkomponenten Kupfer und Sauerstoff im Material der Schwärzungsschicht beträgt mindestens 70 mol-% Der Kupferanteil liegt ausschließlich oder überwiegend als stöchiometrisches oder als unterstöchiometrisches Kupfer(II)oxid (CuO) vor; metallische Phase, Kupfer(I)oxid und oxinitridische Komponenten können in geringeren Anteilen enthalten sein. Besonders bevorzugt ist eine Schwärzungsschicht, bei der der Anteil von Cu und CuO in der Schwärzungsschicht mindestens 95 mol-% beträgt.The molar fraction of the main components copper and oxygen in the material of the blackening layer is at least 70 mol%. The copper fraction is present exclusively or predominantly as stoichiometric or substoichiometric copper (II) oxide (CuO); Metallic phase, copper (I) oxide and oxinitridische components may be included in minor proportions. Particularly preferred is a blackening layer in which the proportion of Cu and CuO in the blackening layer is at least 95 mol%.
Die Schwärzungsschicht kann Anteile an oxidischem oder oxinitridischem Werkstoff mit unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt oder metallische Phase enthalten. Ein unterstöchiometrisches Oxid und ein unterstöchiometrisches Oxinitrid zeichnen sich dadurch aus, dass sie unbesetzte O- beziehungsweise N-Valenzen haben. Kupfer(II)-Oxid (CuO) wird bei dieser Betrachtung als stöchiometrisches Oxid angesehen.The blackening layer may contain fractions of oxidic or oxinitridic material with substoichiometric oxygen content or metallic phase. A stoichiometric oxide and a stoichiometric oxynitride are characterized by having unoccupied O and N valences, respectively. Copper (II) oxide (CuO) is considered as a stoichiometric oxide in this regard.
Die Dicke der Schwärzungsschicht und deren Brechungsindex sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass sich für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich eine auslöschende Interferenz ergibt zwischen dem Lichtanteil, der an der Oberfläche der Schwärzungsschicht reflektiert wird und dem Lichtanteil, der an der Grenzfläche zwischen Schwärzungsschicht und Metallschicht reflektiert wird.The thickness of the blackening layer and its refractive index are preferably coordinated so that for light in the visible wavelength range extinguishing interference results between the proportion of light which is reflected on the surface of the blackening layer and the proportion of light which is reflected at the interface between blackening layer and metal layer ,
Die dem Betrachter zugewandte Oberfläche des Schichtsystems wird beispielsweise von der Schwärzungsschicht oder von dem Substrat gebildet. Die Reflexion an dieser Oberfläche hängt vom Brechungsindex ab. Bei dem Substrat kann es sich um einen dielektrischen Feststoff handeln, wie Glas, Kunststoff oder transparente Keramik, der als Unterlage für die Leiterschicht oder für die Schwärzungsschicht dient. Der Brechungsindex derartiger Substrate liegt typischerweise im Bereich von 1,4 bis 2,0. Eine Schwärzungsschicht mit den oben genannten Hauptkomponenten weist einen relativ niedrigeren Brechungsindex auf, der typischerweise im Bereich von 2,6 bis 2,95liegt. Alle obigen Angaben zum Brechungsindex beziehen sich auf eine Messwellenlänge von 550 nm.The surface of the layer system facing the viewer is formed, for example, by the blackening layer or by the substrate. The reflection on this surface depends on the refractive index. The substrate may be a dielectric solid, such as glass, plastic or transparent ceramic, which serves as a support for the conductor layer or for the blackening layer. The refractive index of such substrates is typically in the range of 1.4 to 2.0. A blackening layer with the The above main components have a relatively lower refractive index, typically in the range of 2.6 to 2.95. All the above refractive index data refer to a measuring wavelength of 550 nm.
Der kombinatorische Effekt aus geringerer Reflexion an der Vorderseite der Schwärzungsschicht und der Teilauslöschung durch Interferenz mit dem Anteil des an der Grenzfläche zur Metalloberfläche zurückgestreuten Lichts führt zu einer besonders niedrigeren visuellen Reflexion Rv für den sichtbaren Wellenlängenbereich für einen Betrachter. Als Maß dafür dient die Wellenlänge von 550 nm im grünen Spektralbereich, für den die Empfindlichkeit des menschlichen Auges am höchsten ist. Die visuelle Reflexion des erfindungsgemäßen Schichtsystems ist daher geringer als bei Schichten, bei denen die Schwärzungsschicht ein besonders große Absorptionsvermögen hat (mit kappa > 0,7). Eine im Hinblick auf auslöschende Interferenz besonders geeignete Dicke der Schwärzungsschicht liegt im Bereich von 30 bis 55 nm.The combinatorial effect of lower reflection at the front of the blackening layer and partial erasure by interference with the proportion of light backscattered at the interface to the metal surface results in a particularly lower visual reflection R v for the visible wavelength range for a viewer. A measure of this is the wavelength of 550 nm in the green spectral range, for which the sensitivity of the human eye is highest. The visual reflection of the layer system according to the invention is therefore lower than in the case of layers in which the blackening layer has a particularly high absorption capacity (with kappa> 0.7). A particularly suitable thickness of the blackening layer with respect to extinguishing interference is in the range of 30 to 55 nm.
Ein Maß für die Effektivität der Abdeckung ist somit die insgesamt niedrige visuelle Reflexion Rv. Darunter wird die auf die Augenempfindlichkeit normierte Reflexion verstanden, die aus der Gesamt-Reflexion des Schichtsystems berechnet wird. Zur Berechnung der visuellen Reflexion Rv werden die Messwerte eines Spektrometers mit den genormten Faktoren der Augenempfindlichkeit gefaltet und aufintegriert beziehungsweise summiert. Diese Faktoren der Augenempfindlichkeit sind in der DIN EN 410 festgelegt.A measure of the effectiveness of the cover is thus the overall low visual reflection R v . This is understood to mean the normalized reflection on the eye sensitivity, which is calculated from the total reflection of the layer system. To calculate the visual reflection R v , the measured values of a spectrometer are folded with the standardized factors of eye sensitivity and integrated or summed. These factors of eye sensitivity are specified in DIN EN 410.
Soweit die Reflexions-Messung dabei durch ein transparentes Medium wie zum Beispiel ein Glassubstrat oder Kunststoff erfolgt, ist zur Ermittlung einer effektiven visuellen Reflexion Rv, eff des Schichtsystems die Reflexion an der Oberfläche dieses transparenten Mediums von der Gesamtreflexion abzuziehen. Im Fall eines Glassubstrats sind dies etwa 4%.As far as the reflection measurement is carried out by a transparent medium such as a glass substrate or plastic, to determine an effective visual reflection R v , eff of the layer system to subtract the reflection on the surface of this transparent medium of the total reflection. In the case of a glass substrate, this is about 4%.
Bei einem Schichtsystem, bei dem die metallische Leiterschicht zwischen dem Substrat und der Schwärzungsschicht angeordnet ist und die Schwärzungsschicht direkt gegen Luft abschließt, beträgt die visuelle Reflexion Rv vorzugsweise weniger als 6% - und zwar gemessen von der Schwärzungsschicht in Richtung des Substrats.In a layer system in which the metallic conductor layer is disposed between the substrate and the blackening layer and terminates the blackening layer directly against air, the visual reflection R v is preferably less than 6% as measured from the blackening layer toward the substrate.
Bei einem Schichtsystem, bei dem die Schwärzungsschicht zwischen dem Substrat und der metallischen Leiterschicht angeordnet ist oder die Schwärzungsschicht von einer transparenten Deckschicht überzogen ist, beträgt die visuelle Reflexion Rv vorzugsweise weniger als 10% - und zwar gemessen durch das transparente Substrat oder die transparente Deckschicht auf die Schwärzungsschicht.In a layer system in which the blackening layer is arranged between the substrate and the metallic conductor layer or the blackening layer is covered by a transparent cover layer, the visual reflection R v is preferably less than 10% as measured by the transparent substrate or the transparent cover layer on the blackening layer.
Der Betrachter sieht in diesem Fall durch das Substrat oder die Deckschicht hindurch auf die Schwärzungsschicht, so dass zur Ermittlung der effektiven visuellen Reflexion Rv,eff des Schichtsystems die Reflexion an der Oberfläche des Substrats oder der Deckschicht von der Gesamtreflexion abzuziehen ist.The observer sees in this case through the substrate or the cover layer on the blackening layer, so that to determine the effective visual reflection R v , eff of the layer system, the reflection at the surface of the substrate or the cover layer is subtracted from the total reflection.
Die Schwärzungsschicht kann mindestens eine Zusatzkomponente enthalten, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe der Metalle Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti, Mn und Oxiden dieser Metalle.The blackening layer may contain at least one additional component, for example selected from the group of the metals Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti, Mn and oxides of these metals.
Die genannten Metalle liegen in metallischer Form als reines Element, als Legierungsbestandteil und/oder als stöchiometrische oder als unterstöchiometrische Metallverbindung (Oxide) vor. Sie dienen beispielsweise der Anpassung der Brechungsindex oder des Ätzverhaltens der Schwärzungsschicht.The metals mentioned are present in metallic form as a pure element, as an alloy constituent and / or as a stoichiometric or as a substoichiometric metal compound (oxides). They serve, for example, to adapt the refractive index or the etching behavior of the blackening layer.
Ein besonders einfach herzustellendes Schichtsystem ergibt sich, wenn die metallische Leiterschicht als Hauptkomponente mit einem Molanteil von mehr als 90 % Kupfer enthält und besonders bevorzugt aus Kupfer besteht.An especially easy to produce layer system results when the metallic conductor layer contains as the main component with a mole fraction of more than 90% copper, and particularly preferably consists of copper.
Die Doppelschicht aus Leiterschicht und Schwärzungsschicht enthält dabei im Wesentlichen Kupfer und lässt sich einfach mit handelsüblichen Ätzmitteln für Cu-Elektroden strukturieren. Geeignete Kupfer-Ätzmittel beruhen beispielsweise auf H2O2. Durch Zusatz anderer Metalle oder Oxide kann die Ätzgeschwindigkeit von Leiterschicht und/oder Schwärzungsschicht verändert werden. Geeignete Zusätze sind beispielsweise: Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti, Mn, Oxide und Oxinitride dieser Metalle sowie Mischungen beziehungsweise Legierungen daraus.The double layer of conductor layer and blackening layer contains substantially copper and can be easily structured with commercially available etchants for Cu electrodes. Suitable copper etchants are based, for example, on H 2 O 2 . By adding other metals or oxides, the etching rate of the conductor layer and / or blackening layer can be changed. Suitable additives are, for example: Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti, Mn, oxides and oxynitrides of these metals and mixtures or alloys thereof.
Das erfindungsgemäße Sputtertarget The sputtering target according to the invention
Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Sputtertargets zur Herstellung der Schwärzungsschicht des erfindungsgemäßen Schichtsystems gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass es aus einem Targetwerkstoff besteht, in dem Kupfer und Kupfer(II)oxid den größten Molanteil ausmachen.With regard to the sputtering target for producing the blackening layer of the layer system according to the invention, the abovementioned object is achieved in that it consists of a target material in which copper and copper (II) oxide make up the largest molar fraction.
Das erfindungsgemäße Sputtertarget besteht im Wesentlichen (mit einem Molanteil von mehr als 70%, bevorzugt mehr als 95%) aus Kupfer und aus Kupfer-Oxid und/oder Kupfer-Oxinitrid. Der Molanteil von Kupfer(II)oxid beträgt dabei mindestens 70 %. Das Kupfer(II)oxid liegt in möglichst fein verteilter Form vor; die mittlere Korngröße (D50-Wert) ist kleiner als 50 µm, wobei einzelne Agglomerate auch größere Abmessungen bis beispielsweise 200 µm haben können.The sputtering target according to the invention consists essentially (with a molar fraction of more than 70%, preferably more than 95%) of copper and of copper oxide and / or copper oxinitride. The molar proportion of copper (II) oxide is at least 70%. The copper (II) oxide is present in finely divided form as possible; the average particle size (D 50 value) is less than 50 μm, with individual agglomerates also having larger dimensions, for example 200 μm.
Allein durch den Gehalt an metallischem Kupfer weist der Targetwerkstoff im Vergleich zu einem stöchiometrischen, volloxidischen Werkstoff einen Sauerstoffmangel auf. Dazu kann die oxidische beziehungsweise die oxinitridische Phase zusätzlich beitragen, wenn sie unterstöchiometrisch vorliegt.Alone by the content of metallic copper, the target material has an oxygen deficiency compared to a stoichiometric, volloxidischen material. For this purpose, the oxidic or the oxinitridische phase may additionally contribute, if it is substoichiometric.
Im erfindungsgemäßen Sputtertarget ist der Sauerstoffgehalt der Schwärzungsschicht des erfindungsgemäßen Schichtsystems bereits genau oder mindestens ungefähr angelegt. Das bedeutet, dass eine Feinjustierung der Schichtstöchiometrie durch geringe Zugaben an Reaktivgasen (insbesondere von Sauerstoff) mit nicht mehr als 10 Vol.-% in der Sputteratmosphäre erreicht werden kann, so dass die erwähnten technologischen Schwierigkeiten beim Absputtern von Metalltargets unter hochreaktiver Atmosphäre vermieden werden. Neben Sauerstoff ist auch die Zugabe anderer reaktiver Gase wie Stickstoff geeignet.In the sputtering target according to the invention, the oxygen content of the blackening layer of the layer system according to the invention is already applied exactly or at least approximately. This means that fine adjustment of the layer stoichiometry can be achieved by small additions of reactive gases (in particular of oxygen) with not more than 10% by volume in the sputtering atmosphere, so that the abovementioned technological difficulties in sputtering off metal targets under a highly reactive atmosphere are avoided. In addition to oxygen, the addition of other reactive gases such as nitrogen is suitable.
Der Sauerstoffmangel des erfindungsgemäßen Sputtertargets ergibt sich durch den Gehalt an Metall und eventuellen unterstöchiometrische Oxiden. Dieser Metallgehalt liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20 Vol.-%, wobei dieser Angabe die rein rechnerische Annahme zugrunde liegt, dass der Sauerstoffgehalt eventuell vorhandener unterstöchiometrischer Oxide auf die stabilsten Oxide bis zur Vollstöchiometrie verteilt wird, so dass rein rechnerisch eine metallische Phase mit dem oben genannten Anteil verbleibt.The lack of oxygen of the sputtering target according to the invention results from the content of metal and possible substoichiometric oxides. This metal content is preferably in the range of 10 to 20 vol .-%, this statement based purely mathematical assumption that the oxygen content of any existing substoichiometric oxides is distributed to the most stable oxides to the full stoichiometry, so that purely mathematically a metallic phase with remains in the above-mentioned proportion.
Im Hinblick auf die Anpassung des Ätzverhaltens oder des Brechungsindex der Schwärzungsschicht enthält der Werkstoff einen oder mehrere Zusatzkomponenten, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Oxiden, unterstöchiometrischen Oxiden oder Oxinitriden von Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti und Mn. Diese Komponenten sind bevorzugt mit einem Anteil von weniger als 25 Vol.-% enthalten.With regard to the adaptation of the etching behavior or the refractive index of the blackening layer, the material contains one or more additional components selected from a group consisting of oxides, substoichiometric oxides or oxynitrides of Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti and Mn. These components are preferably contained in a proportion of less than 25% by volume.
Das erfindungsgemäße Sputtertarget ist elektrisch leitfähig und kann daher in einem DC- beziehungsweise MF-Gleichspannungsprozess verarbeitet werden; es zeigt bevorzugt einen spezifischen Widerstand von weniger als 10 µΩ*cm, bevorzuge weniger als 1 µΩ*cm.The sputtering target according to the invention is electrically conductive and can therefore be processed in a DC or MF DC voltage process; it preferably exhibits a resistivity of less than 10 μΩ * cm, preferably less than 1 μΩ * cm.
Das Sputtertarget ist durch Heißpressen oder heißisostatisches Pressen (HIP) homogener Mischungen der entsprechenden Pulverkomponenten herstellbar. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sputtertargets wird ein Pulvergemisch, das Cu2O-Teilchen enthält, zu einem Sinterkörper verdichtet und bei einer Temperatur unterhalb von 800 °C gesintert.The sputtering target can be produced by hot pressing or hot isostatic pressing (HIP) of homogeneous mixtures of the corresponding powder components. In the method according to the invention for producing such a sputtering target, a powder mixture containing Cu 2 O particles is compacted into a sintered body and sintered at a temperature below 800 ° C.
Durch das Verdichten bei einer Temperatur unterhalb von 800°C wird eine Zersetzung des CuO vermieden. Das Ausgangspulver Cu20 zerfällt bei der Verdichtung ganz oder teilweise in Cu und CuO und erzeugt so eine sehr feine und homogene Mischung aus Metall und Oxid.By compacting at a temperature below 800 ° C decomposition of the CuO is avoided. During the compression, the starting
Im Hinblick auf eine geringe Korngröße im Targetwerkstoff wird ein Pulvergemisch eingesetzt, das Cu2O-Teilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 50 µm und Cu-Teilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 100 µm enthält.In view of a small grain size in the target material, a powder mixture containing Cu 2 O particles having a particle size of less than 50 μm and Cu particles having a particle size of less than 100 μm is used.
Insbesondere über heißisostatisches Pressen lassen sich so hochdichte Blöcke mit Dichten >95% und sogar >99% der theoretischen Dichte erzeugen.In particular via hot isostatic pressing, it is possible to produce such high-density blocks with densities> 95% and even> 99% of the theoretical density.
Im Hinblick auf die Anpassung des Ätzverhaltens oder des Brechungsindex der Schwärzungsschicht enthält der Targetwerkstoff einen oder mehrere Zusatzkomponenten, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Oxiden, unterstöchiometrischen Oxiden oder Oxinitriden von Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti und Mn. Diese Komponenten sind bevorzugt mit einem Anteil von weniger als 25 mol-% enthalten.With regard to the adaptation of the etching behavior or the refractive index of the blackening layer, the target material contains one or more additional components selected from a group consisting of oxides, substoichiometric oxides or oxinitrides of Zn, Sn, In, Nb, Mo, W, Ti and Mn. These components are preferably contained in a proportion of less than 25 mol%.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für die Schwärzungsschicht The production process for the blackening layer according to the invention
Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des Schichtsystems mit einer Kupfer und Sauerstoff als Hauptkomponenten enthaltenen Schwärzungsschicht erfindungsgemäß einerseits dadurch gelöst, dass ein Prozess des reaktiven Sputterns durchgeführt wird, bei dem eine Targetoberfläche eines kupferhaltigen Sputtertargets in einer Abscheidekammer unter regelbarer Zufuhr eines Sauerstoff-haltigen Prozessgases abgesputtert wird, wobei der Sputterprozess in Abhängigkeit von einem Belegungsgrad der Targetoberfläche mit oxidischer Verbindung ein stabiles Prozessfenster in einem metallischen Bereich und ein stabiles Prozessfenster in einem oxidischen Bereich, und wobei die Prozessgas-Zufuhr auf einen Arbeitspunkt in einem Prozessfenster in einem Übergangsbereich zwischen dem stabilen metallischen Modus und dem stabilen oxidischen Modus eingestellt wird.With regard to the method for producing the layer system with a blackening layer containing copper and oxygen as main components, the abovementioned object is achieved, on the one hand, by carrying out a process of reactive sputtering in which a target surface of a copper-containing sputtering target is deposited in a deposition chamber under controllable supply of oxygen sputtering process, depending on a degree of coverage of the target surface with oxidic compound a stable process window in a metallic area and a stable process window in an oxidic region, and wherein the process gas supply to an operating point in a process window in a transition region between the stable metallic mode and the stable oxide mode.
Es ist bekannt, dass es beim reaktiven Gleichspannungssputtern (DC-Sputtern und Mittelfrequenzsputtern) zu einer sogenannten „Targetvergiftung“ kommen kann. Bei hohem Reaktivgasfluss nimmt der Bedeckungsgrad des Targets mit Metalloxid oder Oxinitriden zu, und bei einem ersten Reaktivgasfluss kommt es zu einer sprunghaften Abnahme der Kathodenspannung und damit zu einem Übergang vom so gennannten stabilen metallischen Modus (hier auch als „metallischer Bereich“ bezeichnet) - ohne oder mit geringem Bedeckungsgrad - in einen reaktiven Modus (hier auch als „reaktiver Bereich“ bezeichnet), in dem das Target vollständig mit der Metall-Verbindung bedeckt ist. Infolge der dadurch deutlichen sinkenden Metall-Zerstäubungsrate verringert sich der Reaktivgasverbrauch im Sputterprozess und der Reaktivgaspartialdruck steigt an. Bei wieder abnehmendem Reaktivgasfluss sinkt der Bedeckungsgrad des Sputtertargets wieder, und es findet bei einem zweiten Reaktivgasfluss ein weiterer abrupter Übergang vom reaktiven Modus in den metallischen Modus statt. Die Zerstäubungsrate nimmt wieder zu, der Reaktivgasverbrauch steigt und der Reaktivgaspartialdruck nimmt ab. Die Kathodenspannung steigt wieder deutlich an.It is known that in DC reactive sputtering (DC sputtering and medium frequency sputtering) so-called "target poisoning" can occur. At high reactive gas flow, the degree of coverage of the target with metal oxide or oxynitrides increases, and at a first reactive gas flow, there is a sudden decrease in the cathode voltage and thus a transition from the so-called stable metallic mode (also referred to herein as "metallic region") - without or with low coverage - into a reactive mode (also referred to herein as a "reactive region") in which the target is completely covered with the metal compound. As a result of the significantly decreasing metal atomization rate, the reactive gas consumption in the sputtering process decreases and the reactive gas partial pressure increases. When the reactive gas flow decreases again, the degree of coverage of the sputtering target drops again, and in the case of a second reactive gas flow, another abrupt transition takes place from the reactive mode to the metallic mode. The atomization rate increases again, the reactive gas consumption increases and the reactive gas partial pressure decreases. The cathode voltage increases again significantly.
Da der zweitgenannte Übergang vom reaktiven Modus in den metallischen Modus stets bei niedrigerem Reaktivgasfluss liegt als der umgekehrte Übergang, zeigen der Reaktivgaspartialdruck ebenso wie andere Mess- und Prozessparameter, die vom Bedeckungsgrad des Sputtertargets abhängen, bei dieser Variation des Reaktivgasflusses eine Hysteresekurve mit Wendepunkten F1 im (unteren) aufsteigenden Ast (bei abnehmendem Reaktivgasfluss) und F2 im (oberen) absteigenden Ast (bei zunehmendem Reaktivgasfluss). Der Bereich zwischen metallischem und reaktivem Bereich wird hier als „Übergangsbereich“ (engl.: transition mode) bezeichnet. Der Bedeckungsgrad ist im Übergangsbereich kleiner als 100% und die Entladung ist tendenziell instabil.Since the second-mentioned transition from the reactive mode to the metallic mode is always at a lower reactive gas flow than the reverse transition, the reactive gas partial pressure as well as other measurement and process parameters which depend on the coverage of the sputtering target show a hysteresis curve with inflection points F1 in this variation of the reactive gas flow (lower) ascending branch (with decreasing reactive gas flow) and F2 in the (upper) descending branch (with increasing reactive gas flow). The region between the metallic and the reactive region is referred to here as the "transition mode". The degree of coverage in the transition area is less than 100% and the discharge tends to be unstable.
Andererseits erfordert eine möglichst hohe Abscheiderate sauerstoffhaltiger Schichten eine hohe Zerstäubungsrate und einen dementsprechend hohen Sauerstoff-Partialdruck in der Sputter-Atmosphäre, was wiederum zum Eintrag an Sauerstoff in den Targetwerkstoff und zur oben erwähnten Targetvergiftung und der beschriebenen Hysterese mit veränderten Schichteigenschaften führt. Eine hohe Beschichtungsrate bei gleichzeitig möglichst gleichbleibenden Schichteigenschaften in nur im Übergangsbereich zwischen dem reaktiven Modus und dem metallischen Modus zu erreichen.On the other hand, the highest possible deposition rate of oxygen-containing layers requires a high sputtering rate and a correspondingly high partial pressure of oxygen in the sputtering atmosphere, which in turn leads to entry of oxygen into the target material and to the above-mentioned target poisoning and the described hysteresis with altered layer properties. To achieve a high coating rate while maintaining the same as possible layer properties only in the transition region between the reactive mode and the metallic mode.
Das Arbeiten im instabilen Übergangsbereich bedarf einer Stabilisierung. Diese Stabilisierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass für die Prozessgas-Zufuhr ein separater Regelkreis vorgesehen ist, anhand dessen die Prozessgas-Zufuhr auf einen Arbeitspunkt in einem Prozessfenster in einem Übergangsbereich zwischen dem stabilen metallischen Modus und dem stabilen oxidischen Modus eingestellt wird. Für die Messung des Sauerstoffpartialdrucks kann eine Lambdasonde eingesetzt werden, deren Ausgangsspannung die Information über den vorliegenden Sauerstoffpartialdruck liefert. Eine andere Möglichkeit einer Stabilisierung besteht darin, die Sauerstoffzufuhr auf einem empirisch ermittelten, konstanten Wert zu halten. Diese Möglichkeit kommt insbesondere bei Sputtersystemen in Betracht, bei denen die Prozessstabilisierung im Übergangsbereich vergleichsweise einfach ist; dies ist beim vorliegenden Sputtersystem der Fall.Working in the unstable transition area requires stabilization. This stabilization can take place, for example, by providing a separate control loop for the process gas supply, with the aid of which the process gas supply is set to an operating point in a process window in a transition region between the stable metallic mode and the stable oxidic mode. For the measurement of the oxygen partial pressure, a lambda probe can be used whose output voltage supplies the information about the oxygen partial pressure present. Another possibility of stabilization is to keep the oxygen supply at an empirically determined, constant value. This possibility is particularly suitable for sputtering systems in which the process stabilization in the transition region is comparatively simple; this is the case with the present sputtering system.
Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn das Prozessfenster im Übergangsbereich mindestens einmalig für einen spezifischen Sputterprozess bestimmt wird, indem eine Hysteresekurve eines von dem Oxid-Belegungsgrad der Targetoberfläche abhängigen Parameters in Abhängigkeit von der Sauerstoffmenge im Prozessgas aufgezeichnet wird, und ein rechter Wendepunkt der Hysteresekurve bei zunehmender Sauerstoffmenge, und ein linker Wendepunkt der Hysteresekurve bei abnehmender Sauerstoffmenge ermittelt werden, wobei dem rechten Wendepunkt ein Wert F2 und dem linken Wendepunkt ein Wert F1 der Prozessgas-Zufuhr zugeordnet sind, und dass der Arbeitspunkt für die Prozessgas-Zufuhr im Prozessfenster liegt, das definiert ist als der Bereich zwischen F1-0,08xF1 und F2+0,08xF2. Vorzugsweise ist das Prozessfenster definiert als der Bereich zwischen F1-0,05xF1 und F2+0,05xF2.It has proved particularly advantageous in this case if the process window in the transition region is determined at least once for a specific sputtering process by recording a hysteresis curve of a parameter dependent on the oxide coverage of the target surface as a function of the amount of oxygen in the process gas, and a right turning point the hysteresis curve with increasing amount of oxygen, and a left turning point of the hysteresis curve are determined with decreasing amount of oxygen, where the right turning point a value F2 and the left turning point is assigned a value F1 of the process gas supply, and that the operating point for the process gas supply in the process window which is defined as the range between F1-0.08xF1 and F2 + 0.08xF2. Preferably, the process window is defined as the range between F1-0.05xF1 and F2 + 0.05xF2.
Die Werte F1 und F2 sind dabei Prozentanteile des Sauerstoffs an der Gesamt-Prozessgaszufuhr; sie werden also aus einem Hysterese-Diagramm ermittelt, in dem der vom Oxid-Belegungsgrad der Targetoberfläche abhängige Parameter in Abhängigkeit von der Sauerstoffmenge im Prozessgas dargestellt ist. Der Messparameter, der die Hysteresekurve in Abhängigkeit vom Oxid-Belegungsgrad der Targetoberfläche beschreibt ist beispielsweise die Kathodenspannung des DC- oder MF-Generators, die Plasma-Impedanz oder der Sauerstoffpartialdruck in der Plasmakammer. Der Belegungsgrad kann auch optisch erfasst werden, wobei in dem Fall der Messparameter die Oxid-Belegungsdichte direkt widerspiegelt. Der Regelkreis für die Prozessgaszufuhr beinhaltet einen an den jeweiligen Messparameter angepassten Sensor, wie beispielsweise einer Lambda-Sonde. The values F1 and F2 are percentages of the oxygen in the total process gas supply; they are thus determined from a hysteresis diagram in which the parameter dependent on the oxide degree of coverage of the target surface is represented as a function of the amount of oxygen in the process gas. The measurement parameter which describes the hysteresis curve as a function of the degree of oxide coverage of the target surface is, for example, the cathode voltage of the DC or MF generator, the plasma impedance or the oxygen partial pressure in the plasma chamber. The degree of occupation can also be detected optically, in which case the measurement parameter directly reflects the oxide coverage density. The control loop for the process gas supply includes a sensor adapted to the respective measuring parameter, such as a lambda probe.
Der spezifische Sputterprozess ist derjenige Sputterprozess, wie er bei der Schichtabscheidung eingesetzt wird. Er ist gekennzeichnet durch Anzahl, Geometrie und chemische Zusammensetzung des oder der Sputtertargets und durch die vorgegebenen Sputter-Parameter, mit Ausnahme der Sauerstoffzufuhr, denn diese soll durch die Aufnahme der Hysteresekurve erst bestimmt werden.The specific sputtering process is the sputtering process used in the film deposition. It is characterized by the number, geometry and chemical composition of the sputtering target (s) and by the given sputtering parameters, with the exception of the oxygen supply, because this is to be determined by recording the hysteresis curve.
Zur Abscheidung der Schwärzungsschicht des erfindungsgemäßen Schichtsystems hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Prozessgas ein Gasgemisch aus einem Edelgas und Sauerstoff ist, wobei der Anteil an Sauerstoff in dem Gasgemisch zwischen 40 Vol.-% und 48 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 41 Vol.-% und 46 Vol.-% liegt.For deposition of the blackening layer of the layer system according to the invention, it has proven to be advantageous if the process gas is a gas mixture of a noble gas and oxygen, wherein the proportion of oxygen in the gas mixture between 40 vol .-% and 48 vol .-%, preferably between 41 Vol .-% and 46 vol .-% is.
Eingesetzt wird dabei bevorzugt ein erfindungsgemäßes Sputtertarget, wie es oben beschrieben ist. Das Sputtertarget wird in einem reinen DC- oder MF-Sputterprozess beispielsweise in einer Sputteratmosphäre aus Argon und einem reaktiven Gas wie Sauerstoff oder Stickstoff abgesputtert.In this case, preference is given to using a sputtering target according to the invention, as described above. The sputtering target is sputtered in a pure DC or MF sputtering process, for example in a sputtering atmosphere of argon and a reactive gas such as oxygen or nitrogen.
Das reaktive Gleichspannungs-Magnetronsputtern großflächiger und in etwa quadratischer Sputtertargets oder Arrays an Streifentargets mit Planflächen von mehr als 0,5 m2 wird beispielsweise in der Displayindustrie zur Herstellung von großen TFT-Arrays eingesetzt. Wegen der großen Fläche kann sich dabei ein Sauerstoff-Gradient vom Targetrand zur Target-Mitte einstellen, der zu Inhomogenitäten bei der Schichtabscheidung führt. Dies führt dann zu über dem Substrat inhomogenen Schwärzungsgraden der abgeschiedenen Schicht.The reactive DC magnetron sputtering of large area and approximately square sputtering targets or arrays of strip targets with plane areas of more than 0.5 m 2 is used for example in the display industry for the production of large TFT arrays. Because of the large area, an oxygen gradient from the target edge to the target center can be established, which leads to inhomogeneities in the layer deposition. This then leads to inhomogeneous degrees of blackening of the deposited layer over the substrate.
Im Hinblick darauf ist bei einer alternativen Verfahrensvariante zur Herstellung einer Kupfer und Sauerstoff als Hauptkomponente enthaltenen Schwärzungsschicht eines Schichtsystems, die insbesondere zur Herstellung großflächiger Schwärzungsschichten geeignet ist, vorgesehen, dass das Sputtertarget aus einem Targetwerkstoff besteht, in dem Kupfer und Sauerstoff den größten Molanteil ausmachen, wobei sich der Anteil an Sauerstoff im Targetwerkstoff um maximal 10% vom Anteil an Sauerstoff in der herzustellenden Schwärzungsschicht unterscheidet.In view of this, in an alternative process variant for producing a copper and oxygen main component blackening layer of a layer system, which is particularly suitable for producing large-scale blackening layers, provided that the sputtering target consists of a Targtwerkstoff in which copper and oxygen make up the largest mole fraction, wherein the proportion of oxygen in the target material differs by a maximum of 10% from the proportion of oxygen in the blackening layer to be produced.
Auch hier wird bevorzugt ein erfindungsgemäßes Sputtertarget in einem reinen DC- oder MF-Sputterprozess abgesputtert. Auf diese Weise wird auf einem Substrat oder auf einer Leiterschicht eine Schwärzungsschicht erzeugt, die einen Sauerstoffgehalt aufweist, der dem Sauerstoffgehalt des Sputtertargets entspricht oder diesem sehr nahe kommt. Dadurch ist der Targetwerkstoff unverändert oder mit nur geringer Aufoxidation in die Schwärzungsschicht übertragbar.Again, a sputtering target according to the invention is preferably sputtered in a pure DC or MF sputtering process. In this way, a blackening layer is produced on a substrate or on a conductor layer which has an oxygen content which corresponds to or comes very close to the oxygen content of the sputtering target. As a result, the target material can be transferred into the blackening layer as it is or unchanged with only slight oxidation.
Da sich die abgeschiedene Schicht in ihrer chemischen Zusammensetzung nicht wesentlich von der des eingesetzten Target-Materials unterscheidet, spielen lokale Unterschiede im Sauerstoffgehalt des Prozessgases eine untergeordnete Rolle. Dies erlaubt eine stabile Führung des Sputterprozesses und die reproduzierbare Einstellung der Eigenschaften auf großflächig abgeschiedener Schwärzungsschichten.Since the deposited layer does not differ significantly in its chemical composition from that of the target material used, local differences in the oxygen content of the process gas play a minor role. This allows a stable guidance of the sputtering process and the reproducible adjustment of the properties on large-area deposited blackening layers.
Allenfalls ein geringer Zusatz an Reaktivgas von vorzugsweise weniger als 5 Vol.-% des Sputtergasstroms ist sinnvoll, um eine Feinabstimmung der Schichteigenschaften zu ermöglichen.At best, a small addition of reactive gas of preferably less than 5 vol .-% of Sputtergasstroms is useful to allow fine tuning of the layer properties.
Messmethodenmeasurement methods
SchichtdickenmessungCoating thickness measurement
Die Schichtdickenmessung erfolgte mittels eines Stylus-type Profilometers (Ambios Technology XP-200). Zur Probevorbereitung wurde ein Teil des Substrates mit einem Kaptonband, abgedeckt. Der entsprechend abgedeckte Bereich wurde nicht besputtert. Nach dem Entfernen der Abdeckung wurde die Schichtdicke an der entstandenen Stufe zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Bereich ermittelt.The layer thickness measurement was carried out by means of a stylus-type profilometer (Ambios Technology XP-200). For sample preparation, part of the substrate was covered with Kapton tape. The corresponding covered area was not sputtered. After removing the cover, the layer thickness at the resulting step between coated and uncoated area was determined.
Die Gerätekalibration erfolgte dabei auf 10 µm an mitgeliefertem Standard. Die Messung wurde an 10 verschiedenen Stellen der Probe wiederholt und der Mittelwert gebildet. The device calibration was carried out at 10 μm on the supplied standard. The measurement was repeated at 10 different sites of the sample and the mean was formed.
Absorptionskoeffizient kappaAbsorption coefficient kappa
Der Absorptionskoeffizient ist ein Maß für die Schwächung elektromagnetischer Strahlung in Materie und wurde mittels eines Spektrometers (Perkin Elmer Lambda900/950) ermittelt. Dabei werden die Transmissions- und Reflexionsmesswerte im Wellenlängenbereich 380-780 nm in 10 nm Schrittweite integral an den Schichten bestimmt. Die erhaltenen Transmissions- und Reflexionsmesswerte wurden in die Software der Fa. Woollam M2000 eingelesen und die Brechungsindizes und Absorptionskoeffizienten berechnet. Als Referenz wurde das Messgerät auf ein unbeschichtetes Substrat kalibriert.The absorption coefficient is a measure of the attenuation of electromagnetic radiation in matter and was determined by means of a spectrometer (Perkin Elmer Lambda900 / 950). The transmission and reflection measurements in the wavelength range 380-780 nm in 10 nm increment are determined integrally at the layers. The obtained transmission and reflection measured values were read into the software of the company Woollam M2000 and the refractive indices and absorption coefficients were calculated. For reference, the meter was calibrated to an uncoated substrate.
Reflexion RvReflection Rv
Die Reflexion Rv wurde als gerichtete Reflexion gemessen. Diffus reflektiertes Licht wird nicht berücksichtigt (d.h. keine Ulbrichtkugel). Zur Messung wurde das Spektrometer Perkin Elmer Lambda35 eingesetzt. Die Kalibrierung erfolgt über eine vom Hersteller geeichte AI-Probe bekannter Reflexion.The reflection R v was measured as directional reflection. Diffuse reflected light is not considered (ie no integrating sphere). The Perkin Elmer Lambda35 spectrometer was used for the measurement. Calibration takes place via a manufacturer-calibrated AI-sample of known reflection.
Als visuelle Reflexion Rv wird dabei die auf die Augenempfindlichkeit normierte Reflexion verstanden, die aus der Gesamt-Reflexion des Schichtsystems berechnet wird. Soweit die Reflexions-Messung dabei durch ein transparentes Medium wie zum Beispiel ein Glassubstrat erfolgt, wird zur Ermittlung der effektiven Reflexion Rv,eff des Schichtsystems die Reflexion an der Oberfläche dieses transparenten Mediums von der Gesamtreflexion abgezogen.The visual reflection R v is understood to be the normalized reflection on the eye sensitivity, which is calculated from the total reflection of the layer system. As far as the reflection measurement is carried out by a transparent medium such as a glass substrate, the reflection on the surface of this transparent medium is subtracted from the total reflection to determine the effective reflection R v, eff of the layer system.
Bestimmung der PartikelgrößeDetermination of particle size
Die Partikelgröße der eingesetzten Pulver wurde mittels Laser-Beugung und des Geräts CILAS 990 bestimmt. Die Probe wurde in destilliertem Wasser und 0,1Ma% Natriumpyrophosphat 30 s mittels Ultraschall dispergiert und anschliessend gemessen. Zur Auswertung wurde die Fraunhofer Methode genutzt. Dabei wurde der D50 Wert bezogen auf das Volumen der Partikel bestimmt, der die Partikelgröße kennzeichnet, bei welchem 50% der Partikel kleiner sind als dieser Wert.The particle size of the powders used was determined by means of laser diffraction and the CILAS 990 device. The sample was dispersed in distilled water and 0.1Ma% sodium pyrophosphate for 30 seconds by means of ultrasound and then measured. For evaluation the Fraunhofer method was used. The D50 value was determined based on the volume of the particles, which indicates the particle size at which 50% of the particles are smaller than this value.
Emissionsspektrometrische Analyse (ICP-OES)Emission Spectrometric Analysis (ICP-OES)
Es wurde ein Emmissionsspektrometer Varian Vista-MPX und ICP expert software (der Firma Varian Inc.) verwendet. Zunächst werden jeweils zwei Kalibrierproben für die Metalle aus Standardlösungen mit bekanntem Metallgehalt (z.B. 1000 mg/l) in Königswassermatrix (konzentrierte Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure, im Verhältnis 3:1) hergestellt. Die Parameter des ICP-Gerätes waren:
Zur Vermessung einer Probe: Es werden 1 g +/- 0,1 g der Probe mit 30 ml Salpetersäure und 90 ml Salzsäure, wie oben angegeben, versetzt und in einer Mikrowelle (Fa: Anton Paar, Gerät: Multivave 3000) bei 800-1200 W innerhalb 60 min aufgeschlossen. Die aufgeschlossene Probe wird mit 50 Vol.-% Salzsäure in einen 100 ml Kolben überführt und zur Messung verwendet.To measure a sample: Add 1 g +/- 0.1 g of the sample with 30 ml of nitric acid and 90 ml of hydrochloric acid, as indicated above, and place in a microwave (Fa: Anton Paar, instrument: Multivave 3000) at 800 ° C. 1200 W unlocked within 60 min. The digested sample is transferred with 50% by volume hydrochloric acid into a 100 ml flask and used for the measurement.
Bestimmung der Dichte und Methode zur Ermittlung der theoretischen Dichte Determination of the density and method for determining the theoretical density
Die Dichte wird bestimmt nach der sogenannten Auftriebsmethode (buoyancy method). Hierzu wird eine Probe an Luft und in Wasser gewogen und das Volumen mit einer Schieblehre (Genauigkeit 0,2 mm) gemessen. Die relative Dichte in % ist die gemessene Dichte/ theoretische Dichte x100. Die theoretischen Dichten werden aus Tabellen aus Standardwerken entnommen.The density is determined by the so-called buoyancy method. For this purpose, a sample is weighed in air and in water and the volume is measured with a vernier caliper (accuracy 0.2 mm). The relative density in% is the measured density / theoretical density x100. The theoretical densities are taken from tables of standard works.
Phasenanalytik und Bestimmung des PhasenanteilsPhase analysis and determination of the phase fraction
Die mittels Achatmörser pulverisierten Proben wurden unter Vermeidung von Texturbildung in den Probenträger eingebracht und mit einem Röntgen-2-Kreis- Pulverdiffraktometer Stadi P der Fa. Stoe & Cie in Transmission gemessen. Es wird der Linear Position Sensitive Detector (LPSD) mit einer Range von 6,60° eingesetzt und im Messbereich 2 Theta (3,000° bis 79,990°) mit einer Schrittweite von 0,010° gemessen. Die Messdauer beträgt 240 Sekunden bei Schritten von 0,55° (20 sec/step), die gesamte Messung dauert 6,47h. Es wird mit Cu-K-a-1-Strahlung (= 1,54056 Angström) gearbeitet. Der eingesetzte Generator arbeitet mit einer Spannung von 40 kV und einer Stromstärke von 30 mA. Justierung und Kalibration des Diffraktometers erfolgt mit dem NIST-Standard Si (640 d).The samples pulverized by means of agate mortars were introduced into the sample carrier while avoiding formation of textures and were measured in transmission using a Stadi P X-ray powder diffractometer from Stoe & Cie. The Linear Position Sensitive Detector (LPSD) with a range of 6.60 ° is used and measured in the measuring range 2 theta (3.000 ° to 79.990 °) with a step size of 0.010 °. The measurement time is 240 seconds in increments of 0.55 ° (20 sec / step), the entire measurement takes 6.47 hours. It works with Cu-K-a-1 radiation (= 1.54056 angstroms). The generator used operates with a voltage of 40 kV and a current of 30 mA. Adjustment and calibration of the diffractometer is done with the NIST standard Si (640 d).
Die Volumenanteile der jeweiligen Phasen wurden wie folgt ermittelt: Die Röntgenbeugungsdiagramme wurden mit Hilfe des Programms Quantitative Phasenanalyse: Rietveld SiroQuant®, Version V4.0 ausgewertet und damit aus den Linienintensitäten die relativen Anteile der Phasen bestimmt und dann mit Hilfe der theoretischen Dichten auf Vol.-% umgerechnet.The volume fractions of the respective phases were determined as follows: The X-ray diffraction diagrams were evaluated with the aid of the Quantitative Phase Analysis: Rietveld SiroQuant®, Version V4.0 program and from the line intensities the relative proportions of the phases were determined and then, using the theoretical densities on Vol. -% converted.
Umrechnung von Masseanteilen in VolumenprozenteConversion of mass fractions into percent by volume
- m- Masse; V- Volumenm mass; V-volume
- Dichte, theo.= Masse/VolumenDensity, theo. = Mass / volume
- Volumen% = Massen/Dichten /(Masse1/Dichte1+Massen/Dichten)Volume% = mass n / density n / (mass 1 / density 1 + mass n / density n )
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Patentzeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Einzelnen zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems in einer Ausführungsform mit einer Schwärzungsschicht zwischen einem Substrat und einer Leiterschicht in einem Querschnitt, -
2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtsystems mit einer Leiterschicht zwischen einer Schwärzungsschicht und einem Substrat in schematischer Darstellung, -
3 ein Diagramm zur Erläuterung der Hysterese der Kathodenspannung beim reaktiven Gleichspannungssputtern, -
4 den spektralen Verlauf der Reflexion des Schichtsystems Glas /Schwärzungsschicht 1 / Leiterschicht, -
5 den spektralen Verlauf der Reflexion des Schichtsystems Glas / Schwärzungsschicht 2 / Leiterschicht, - Figur 6
Röntgenbeugungsdiagramme der Schwärzungsschicht 1 und der Schwärzungsschicht 2 der in den4 und5 erläuterten Schichtsysteme,
-
1 a schematic representation of the layer system according to the invention in an embodiment with a blackening layer between a substrate and a conductor layer in a cross section, -
2 an embodiment of the layer system according to the invention with a conductor layer between a blackening layer and a substrate in a schematic representation, -
3 a diagram for explaining the hysteresis of the cathode voltage in the reactive DC voltage sputtering, -
4 the spectral course of the reflection of the layer system glass /blackening layer 1 / conductor layer, -
5 the spectral course of the reflection of the layer system glass / blackening layer 2 / conductor layer, - FIG. 6 shows X-ray diffraction patterns of the
blackening layer 1 and the blackening layer 2 of FIG4 and5 explained layer systems,
Mehrere derartige Schichtsysteme
Herstellung von SputtertargetsProduction of sputtering targets
Ausgehend von Pulvermischungen entsprechend der in Tabelle 1 aufgelisteten Komponenten (in Vol.-%) wurden über Heißpressen planare, runde Sputtertargets mit einem Durchmesser von 75mm hergestellt. Hierzu wurden Pulverkomponenten der Reinheit 3N5 und einer mittleren Partikelgröße von weniger als 100 µm (Kupfer) beziehungsweise mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 50 µm (Kupfer(I)oxid) auf einem Rollenbock gemischt.Starting from powder mixtures corresponding to the components listed in Table 1 (in% by volume), planar, round sputtering targets with a diameter of 75 mm were produced by hot pressing. For this purpose, powder components of purity 3N5 and an average particle size of less than 100 microns (copper) or with an average particle size of less than 50 microns (copper (I) oxide) were mixed on a roller block.
Über heißisostatisches Pressen lassen sich so hochdichte Blöcke mit Dichten >95% und sogar >99% der theoretischen Dichte erzeugen. Die Ausgangskomponente Cu20 zerfällt bei der Verdichtung ganz oder teilweise in Cu und CuO und erzeugt so eine sehr feine und homogene Mischung aus Metall und Oxid. Die Sinter-Temperatur wird beim Verdichten auf maximal 790 °C eingestellt, um eine thermische Zersetzung von CuO zu vermeiden.Hot isostatic pressing can be used to produce high-density blocks with densities> 95% and even> 99% of theoretical density. The
Herstellung von SchichtsystemenProduction of layer systems
Von diesen Sputtertargets wurden durch DC-Sputtern in einer Sputter-Atmosphäre aus Argon und Sauerstoff auf Glassubstrate abgeschieden. In einer Versuchsserie wurde die Schwärzung einer 400 nm dicken Cu-Schicht durch Aufsputtern unterschiedlicher Schwärzungsschichten untersucht.These sputtering targets were deposited on glass substrates by DC sputtering in a sputtering atmosphere of argon and oxygen. In a series of experiments, the blackening of a 400 nm thick Cu layer was investigated by sputtering different blackening layers.
Hierzu wurde von einem Kupfer-Target mit teilreaktivem Sputtern eine erste Schicht (Schwärzungsschicht A) auf das Glassubstrat S abgeschieden. Anschließend und ohne das Vakuum zu unterbrechen wurde darauf von demselben Kupfer-Target die metallische Cu-Schicht L gesputtert. Die Dicke der Schwärzungsschicht A wurde jeweils durch einige Versuche optimiert mit dem Ziel, eine möglichst geringe visuelle Reflektion zu erhalten. Entsprechende Schichtdicken lagen im Bereich 36,5 bis 53nm.For this purpose, a first layer (blackening layer A) was deposited on the glass substrate S from a copper target with partially reactive sputtering. Subsequently, and without interrupting the vacuum, the metallic copper layer L was sputtered thereon from the same copper target. The thickness of the blackening layer A was optimized in each case by a few experiments with the aim of obtaining the lowest possible visual reflection. Corresponding layer thicknesses were in the range of 36.5 to 53 nm.
Die Sputterparamater für die Abscheidung der Schwärzungsschicht wurden wie folgt gewählt:
Der Sauerstofffluss wurde variiert, um unterschiedliche Sauerstoffgehalte in der Schwärzungsschicht A zu erreichen. Dabei wurde der Sollwert des SauerstoffFluss in jedem Abscheideprozess konstant gehalten. Der Soll-Wert wurde empirisch bestimmt. Grund dafür ist, dass es beim reaktiven Gleichspannungssputtern des metallischen Kupfer-Targets je nach Sauerstoffzufuhr zur Ausbildung eines stabilen metallischen Bereichs, eines stabilen reaktiven Bereichs und dazwischen: eines nicht stabilen Übergangsbereichs kommt, wobei der Arbeitspunkt der Sauerstoffzufuhr in den nicht stabilen Übergangsbereich gelegt wird.The oxygen flux was varied to achieve different oxygen levels in the blackening layer A. The setpoint of the oxygen flow was kept constant in each deposition process. The target value was determined empirically. This is because reactive reactive DC sputtering of the metallic copper target, depending on the oxygen supply, results in the formation of a stable metallic region, a stable reactive region, and an unstable transition region, with the oxygen supply operating point placed in the unstable transition region.
Zu Gunsten einer möglichst hohen Abscheiderate und Einstellen der richtigen Stöchiometrie (Absorptionsgrad) der Schwärzungsschicht bei gleichzeitig möglichst gleichbleibenden Schichteigenschaften wird der Sollwert für die Sauerstoffzufuhr in den Übergangsbereich gelegt, genauer gesagt in ein Prozessfenster, das die Wendepunkte F1 und F2 sowie einen kleinen darüber hinausgehenden Bereich umfasst, so dass das Prozessfenster insgesamt den Bereich zwischen F1-0,08XF1 und F2+0,08xF2 abdeckt. Dieses Prozessfenster ist in
Für den spezifischen Sputterprozess (im Ausführungsbeispiel) mit der Hysteresekurve Im Diagramm von
Durch Variation der Schichtdicke und des Sauerstoffgehalts der CuOx-Schicht wurden verschiedene Schwärzungsschichten in einem Schichtsystem gemäß
Die Schichtsysteme der Versuchsreihen A und B zeichnen sich durch eine Schwärzungsschicht aus, die bei einer Wellenlänge von bei 550nm einen Absorptionskoeffizienten kappa im Bereich von 0,4 - 0,69 aufweist.The layer systems of test series A and B are characterized by a blackening layer which has an absorption coefficient kappa in the range from 0.4 to 0.69 at a wavelength of 550 nm.
Bei den Röntgenbeugungsdiagrammen von
Bei den Schichtsystemen der Versuchsreihen A und B ist die Schwärzungsschicht in Kontakt mit einem transparenten Substrat. Beim erfindungsgemäßen Schichtsystem kann die Schwärzungsschicht aber auch mit einem fluiden Medium mit einem Brechungsindex n<2 in Kontakt sein, wie beispielsweise Luft, Stickstoff oder einer Flüssigkeit. Je nach Brechungsindex des Mediums, das in direktem Kontakt mit der Schwärzungsschicht steht ergeben sich dann leicht unterschiedliche Reflexionswerte als bei der Messung gegen ein Glassubstrat. Je niedriger der Brechungsindex des fluiden Mediums ist, desto höher die resultierende effektive Reflexion. Hier kann es von Vorteil sein, auf der dem Betrachter zugewandten Seite der Schwärzungsschicht noch eine niedrig brechende dielektrische Schicht abzuscheiden, beispielsweise eine übliche Antireflexschicht.In the layer systems of test series A and B, the blackening layer is in contact with a transparent substrate. In the case of the layer system according to the invention, however, the blackening layer can also be in contact with a fluid medium with a refractive index n <2, such as, for example, air, nitrogen or a liquid. Depending on the refractive index of the medium, which is in direct contact with the blackening layer, slightly different reflection values then result than when measuring against a glass substrate. The lower the refractive index of the fluid medium, the higher the resulting effective reflection. Here it may be advantageous to deposit a low-refractive dielectric layer on the side of the blackening layer facing the observer, for example a conventional antireflection layer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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