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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Aluminiumoxidschicht auf die Kunststoffoberfläche eines Substrates.
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Es ist bekannt, Aluminiumoxid-Schichten auf Substraten zum Schutz der Substrate abzuscheiden. Dadurch, dass die Aluminiumoxid-Schichten transparent sind, werden sie insbesondere für optische Anwendungen interessant. Um beispielsweise einen hohen Kratzschutz für eine optische Oberfläche zu realisieren, wird mittels CVD oder PVD die alpha-Phase des Aluminiumoxides hergestellt. Hierfür sind aber Temperaturen von etwa 1000°C erforderlich. Damit scheidet aber die Beschichtung von Kunststoffoberflächen, die von zunehmendem Interesse ist, aus.
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Um diese Problematik zu umgehen, wird in der
DE 10 2018 132 842 ein Verfahren offenbart, demgemäss bei niedriger Temperatur eine PVD Beschichtung durchgeführt wird. Der PVD Beschichtung schliesst sich dann ein Verfahrensschritt an, bei dem mit der Strahlung mindestens eines Blitzpulses mindestens einer Gasentladungslampe das beschichtete Substrat beaufschlagt wird und somit die alpha-Phase des Aluminiumoxides gebildet wird.
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In vielen Anwendungsfällen steht aber gar nicht so sehr die Kratzfestigkeit im Vordergrund, sondern viel mehr die Beständigkeit gegenüber chemischer Umwelteinflüsse. Wird die Oberfläche beispielsweise Wasserdampf ausgesetzt, so schützt die Aluminiumoxidschicht bis zu einem gewissen Grad die Kunststoffoberfläche vor diesem Wasserdampf. Es ist allerdings auch bekannt, dass sich Aluminiumoxid bis zu einem gewissen Grad in Wasser auflöst (siehe z.B. „Preparation and properties of solar selective absorbers based on AICuFe and AICuFeCr thin films: industrial aspects“ by T. Eisenhammer et al, in (1998) MRS Proceedings Vol. 553, Seiten 435ff). Aufgrund der Porosität der Beschichtung bietet die Aluminiumoxid-Schicht dem Wasserdampf zudem eine stark vergrößerte Oberfläche und damit Angriffsfläche. Ebenfalls aufgrund der Porosität dringen die Wassermoleküle schneller zur Kunststoffoberfläche vor, als dies mit einer weniger porösen Schicht der Fall wäre.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches zu einer verbesserten Stabilität der Aluminiumoxid-Schicht gegenüber Umwelteinflüssen und insbesondere gegenüber Wassereinwirkung führt.
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Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im Rahmen eines reaktiven Magnetron Zerstäubungsprozesses (Magnetron Sputtern) ein oder mehrere Edelgase in die Aluminiumoxid-Schicht eingebaut werden. Da sich Edelgase weder an Aluminium noch an Sauerstoff chemisch binden, bleiben die guten chemischen und auch optischen Eigenschaften der Aluminiumoxid-Schicht erhalten. Zur Überraschung der Erfinder zeigte sich allerdings, dass die Aluminiumoxid-Schicht vermutlich aufgrund der Einlagerung der Edelgase ihre Beständigkeit gegenüber dem Wasserdampf beträchtlich steigert.
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Die Erfinder vermuten, dass aufgrund der Einlagerung von Edelgasatomen einerseits kompressiver Druck in die Schicht eingeführt wird, was zu einer Erhöhung der Dichte und zu einer Verringerung der effektiv vorhandenen Porosität führt. Ein solcher kompressiver Druck wurde beispielsweise im Rahmen der ionensassistierten Beschichtung von Parfit et al (J. Appl. Phys. 77 (7), 1 April 1995) gefunden. Hinsichtlich des Zerstäubens mittels Magnetron ist dies allerdings lediglich eine Hypothese. Aufgrund der inerten Eigenschaft der Edelgasatome bieten diese auch keine guten chemischen Angriffsmöglichkeiten für die Dipole, die die Wassermoleküle darstellen. Daher wird vermutet, dass die Edelgasatome den Wassermolekülen, die in die Schicht eindringen möchten, keine Angriffspunkte zum Eindringen in die Schicht bieten. Es können also weniger Wassermoleküle eindringen, die dann aber auch nicht zu einer Erhöhung des Stresses in der Schicht führen können. Die Folge ist also eine Reduzierung der Veränderung des Stresses die auf Feuchtigkeitseinwirkung und insbesondere Wassereinwirkung zurückzuführen wäre. Dies würde nichts anderes bedeuten, als dass die für die Wassermoleküle angreifbare Oberfläche des Aluminiumoxides reduziert ist.
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Die Erfindung wird nun im Detail und anhand einer konkreten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
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Im Beispiel sollen Halbleitersubstrate, das mehrere VCSEL trägt, die mit einer Epoxy-Beschichtung beschichtet sind, weitergehend gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Dies soll in einer Magnetron-Sputteranlage geschehen, die mit zwei länglichen Aluminium-Sputtterquellen ausgestattet ist. Hierzu wird das Karussell einer Magnetron - Sputteranlage mit den Halbleitersubstraten bestückt und zwar derart, dass bei Rotation des Karussells die zu beschichtenden Epoxy-Oberflächen an den Aluminium-Sputterquellen vorbeirotieren. Nach bestücken des Karussells wird die Kammer der Sputteranlage evakuiert. Es wird zunächst ein Anfangsdruck von 8*10-5 mbar und dann ein Prozessdruck von 6*10-4 mbar realisiert. Das Karussell wird mit einer Geschwindigkeit von 0.5 Umdrehungen pro Sekunde in Rotation versetzt. In die Kammer wird nun ein Sauerstofffluss mit 80 sccm und ein Argonfluss mit 18 sccm eingelassen und an die Aluminium-Sputterquellen bei einer Flächengrösse von 800mmx125mm wird zunächst eine Spannung von 500V angelegt, die während des Prozesses dann auf 450V reduziert wird. Die von den Aluminium-Sputterquellen zerstäubten Aluminiumatome reagieren mit den eingelassenen Sauerstoffmolekülen und bilden Aluminiumoxid, das einerseits einige der Edelgasatome mit sich reisst und andererseits sich zumindest zum Teil auf den zu beschichteten Substraten niederschlägt. Dabei lagern sich erfindungsgemäss die mitgerissenen Edelgasatome in der entstehenden Schicht ein. Die Anzahl der eingelagerten Edelgasatome kann auf zumindest zwei Arten beeinflusst werden: Einerseits kann der in die Kammer einströmende Edelgasfluss reguliert werden. Andererseits ist es aber auch (zumindest bei hohem Leistungseintrag in das Sputtertarget möglich, an die (elektrisch leitenden) Halterungen der Substrate eine mehr oder weniger hohe negative Bias-Spannung anzulegen. Der Hintergrund dieser Massnahme ist darin zu sehen, dass ein beträchtlicher Anteil der Argonatome im Prozess einfach oder mehrfach ionisiert wird. Die positiv geladenen Ionen werden dann aufgrund des negativen Bias (beispielsweise -100V) in Richtung Halterung und damit in Richtung zu beschichtenden Substraten gelenkt. Dieser Effekt führt einerseits zu einem erhöhten Edelgas-Eintrag in die Schicht. Anderseits wird die Schicht selbst aber zumindest teilweise aufgrund des Ionenbombardements zusätzlich verdichtet.
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Erfindungsgemäss und entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann auf diese Weise erreicht werden, dass in die Aluminiumoxid-Schicht ein Edelgasanteil (hier Argon-Anteil) von mindestens 0.05at% und höchsten 2at% erreicht wird. Innerhalb dieser Spanne sind 0.5at% bis 1at% bevorzugt.
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Die Erfinder haben zudem herausgefunden, dass es von Vorteil ist, die Aluminiumoxid-Schicht direkt auf die Kunststoffoberfläche (im Beispiel Epoxy) abzuscheiden, insbesondere dann, wenn die Kunststoffoberfläche zuvor beispielsweise durch ein Plasma aktiviert wurde.
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Dies kann beispielsweise entsprechend dem in 1 skizzierten Prozess erreicht werden, der im Folgenden genauer beschrieben wird:
- Am Anfang des Prozesses wird als Gas lediglich Argon eingelassen. Zwischen der Sputterquelle und dem zu beschichtenden Substrat ist eine Abschirmung (Blende) eingeschoben, mit der erreicht wird, dass während der Anlaufphase, in der die Beschichtungsbedingungen noch nicht stabil sind, kein Material auf dem Substrat abgelegt wird. Insbesondere bei Aluminiumtargets bildet sich an der Luft immer eine Aluminiumoxid-Oberflächenschicht, die es zunächst zu entfernen gilt. Das Target wird sozusagen gesäubert. Es wird dementsprechend kein Sauerstoff eingelassen und der Prozessmodus ist rein metallisch. Im Bild ist dies in der Prozesszeile mit umkreister 1 gekennzeichnet.
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Anschliessend wird, bei immer noch geschlossener Blende, Sauerstoff eingelassen. Zur Steuerung des Sauerstoffpartialdrucks wird vorliegend das Plasma Emission Monitoring eingesetzt. Sauerstoff wird zunächst im Überschuss eingelassen, wobei dann der Sauerstofffluss auf niedrigerem Wert eingeregelt wird, um nach Erreichen des oxidischen Modus mit Hilfe eines Feedback-Loops auf einen festgelegten Arbeitspunkt im Meta-Stabilen Bereich zu regeln. Während nun die Blende geöffnet wird, steigt der Sauerstofffluss für kurze Zeit (z.B. für 5-10 Sekunden, d.h. für 2 bis 5 Umdrehungen des Karussells, auf dem die Substrate angeordnet sind) auf einen hohen Wert an. Dadurch kommt es zu einer Plasmabehandlung der Substratoberfläche und damit zur oben geschilderten Aktivierung. Da mehr Gase im Prozess sind, wird tendenziell eine weiche, poröse, d.h. schwammartige Haftschicht realisiert. Diese führt später dazu, dass sich die in weiter oben liegenden Bestandteilen des Schichtsystems aufbauenden Spannungen (z.B. durch Wasser- bzw. Feuchteeinwirkung) nicht auf das darunter liegende Substrat auswirken können oder wendig auswirken.
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Der relativ hohe Sauerstofffluss führt ausserdem dazu, dass die Stöchiometrie der Schicht sichergestellt ist. Gleichzeitig wird, wie die 1 zeigt, die Leistung am Target erhöht.
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Anschliessend wird mit einem reduzierten Sauerstoffanteil bei allerdings gleichbleibend hoher Leistung weiterbeschichtet. Hierzu wird im Prozessmodus auf einen vorbestimmten Arbeitspunkt eingeregelt und um diesen herum die Stromdichte am Target nachgeführt. Der Argon Anteil des Gases / Plasmas in der Kammer ist nun im Vergleich zum Sauerstoffanteil erhöht, was zu höheren Beschleunigungsparametern der Argon-Ionen auf das Target und damit zu höheren Geschwindigkeiten des zerstäubten Materials führt. Hierdurch entstehen dann dichtere Schichten.
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Es wurde ein Verfahren zum Abscheiden einer Dünnfilmschicht auf eine Kunststoffoberfläche eines Substrates offenbart, wobei die Dünnfilmschicht mindestens eine Aluminiumoxid-Schicht umfasst, wobei mindestens ein Aluminiumtarget innerhalb einer Vakuumkammer mittels mindestens eines Magnetrons zerstäubt und während des Zerstäubens des Aluminiumtargets Sauerstoff in die Vakuumkammer eingelassen wird. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass während des Zerstäubens zumindest ein Edelgas in die Vakuumkammer eingelassen wird, dergestalt, dass in die entstehende Aluminiumoxid-Schicht Edelgasatome eingebaut werden, wodurch die Aluminiumoxid-Schicht eine verbesserte Wasserbarriere darstellt.
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Bevorzugt wird mit dem Verfahren eine Aluminiumoxid-Schicht mit einer Dicke von mehr als 50nm und weniger als 200nm realisiert. Besonders bevorzugt ist die Aluminiumoxid-Schicht 100nm dick.
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Die Kunststoffoberfläche kann von einer Epoxyschicht gebildet sein. In der Anwendung kann die Expoxyschicht beispielsweise einen oder mehrere auf dem Substrat realisierte VCSEL bedecken und damit schützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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