WO2003029511A1 - Method for deposition of transparent silver-containing metal layers - Google Patents

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WO2003029511A1
WO2003029511A1 PCT/EP2002/009798 EP0209798W WO03029511A1 WO 2003029511 A1 WO2003029511 A1 WO 2003029511A1 EP 0209798 W EP0209798 W EP 0209798W WO 03029511 A1 WO03029511 A1 WO 03029511A1
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Matthias Fahland
Christoph Charton
Patrik Karlsson
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/18Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • C23C14/185Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates by cathodic sputtering

Definitions

  • the invention relates to a method for the deposition of thin transparent silver-containing metal layers of high conductivity in a vacuum. Such layers can pass through
  • Evaporation of the metal or by cathode sputtering, also called sputtering, are deposited.
  • Thin transparent silver-containing metal layers of high conductivity are further understood to be layers of pure silver or a silver alloy with a layer thickness below 20 nm and a sheet resistance below 30 ⁇ D. These are characterized by the fact that they are not optically dense, that is to say a considerable part of the incident
  • Such thin silver-containing metal layers are found as components of layer systems
  • Transparent electrodes are used today in a wide variety of devices. Their use is particularly widespread in flat screens which are used both for displays at computer workstations and in various mobile devices. Regardless of the special technology of image generation, a transparent electrode is required, which is located between the viewer and the self-illuminating components of the flat screen, or components that modify the external light.
  • transparent electrodes are used are solar cells, flat lamps based on organic or inorganic electroluminescence, electrochromic glasses or mirrors.
  • transparent electrodes are usually made from the semiconductor indium tin oxide (90% ln 2 0 3 , 10% Sn0 2 : short name ITO). This material is transparent in the visible spectral range and has an electrical conductivity in the range 10 "4 ... ⁇ " 3 ⁇ cm. Although this is far less than with the metals used in electrical engineering such as copper, aluminum and silver, it is nevertheless sufficient for most applications today.
  • Indium is required as the raw material for the production of the layer. This material is only available to a limited extent. Therefore and from the fact that an expected increase in demand can be expected, the price of the target material will increase in the next few years. This makes many economic assessments based on today's information uncertain or uneconomical from the start.
  • ITO In high-quality ITO, it is necessary to work with very low operating voltages of approx. 100 V in the case of sputtering. This can only be achieved by using a specially designed magnetic field or by coupling additional electrical energy.
  • Another possibility for producing transparent electrodes is to store a thin metal layer, in most cases made of silver, or a silver-containing layer in two transparent layers, for example consisting of ITO.
  • This increases the conductivity of the overall system with the same thickness of the overall system, since the metal, as already explained above, has a significantly higher conductivity than the transparent material.
  • significantly lower layer thicknesses of the ITO layers are required, since the conductivity of the layer system is essentially determined by the silver layer. Therefore, such layer systems can gain importance in display technology, for example on glass substrates, because they help to save the expensive coating material ITO. [M. Bender et al. Thin Solid Films 326 (1998), 76-71).
  • this layer system can also be used as a high-quality transparent electrode on plastics, for example polyethylene terephalate (PET) (M. Fahland et al. Proceedings of ICCG 2000).
  • PET polyethylene terephalate
  • a disadvantage of this method is that the transparency of the overall system is reduced by using a pure metal layer. For this reason, it is important that the metal layer itself has the highest possible transparency in order to reduce the transparency of the electrode as little as possible.
  • a thin silver layer is deposited by sputtering.
  • a magnetron with a Silver target installed in a coating chamber.
  • the chamber is then evacuated and argon is introduced into the chamber as the working gas.
  • the target is connected to a sputter power supply.
  • a gas discharge is ignited by the energy supply. Due to the potential conditions in the discharge plasma, individual atoms are knocked out of the target material by ion bombardment and can deposit as a layer on the substrate.
  • the power of the sputtering power supply is usually fixed.
  • current and voltage are set according to the impedance conditions in the discharge chamber.
  • a voltage between 200 and 500 V is usually set for silver targets. The exact value depends on the size of the target area, the argon pressure and the magnetic field of the magnetron.
  • the optical and electrical parameters of the layer differ significantly from those of the closed layer.
  • the aggregated state is characterized by an increased electrical resistance and an increased optical absorption.
  • the transition can be influenced by superimposing an RF discharge and a DC discharge.
  • the disadvantage of this method is that one station has to be equipped with several sputter power supplies. Furthermore, it is technically extremely complex to provide large-area magnetrons with RF sputtering power supplies.
  • a reduction in the layer thickness of a silver-containing layer is only sensible or economical to a certain degree according to the prior art for the applications mentioned.
  • a certain transition layer thickness which for silver can be between 10 and 18 nm depending on the process conditions, there is no continuous layer, but a conglomerate of individual layer islands. This shows itself on the one hand in a drastic increase in the electrical resistance and on the other hand also leads to an increasing absorption within the layer despite the further decrease in the layer thickness.
  • the transparency of the silver-containing layer also determines the transparency of the entire layer system which contains the silver-containing layer, that is to say, for example, a transparent electrode for electroluminescent systems.
  • the invention is based on the object of specifying a method which is improved compared to the prior art and which permits the production of a thin silver-containing layer with the highest possible optical transparency and good conductivity.
  • the atomization of a silver-containing target ensures that the magnetron discharge at voltages between the cathode and the anode of more than 700 V. is operated. It is irrelevant whether a special electrode or another magnetron connected as an anode is used as the anode. It was surprisingly found that thin silver-containing metal layers, which are deposited under these circumstances, have a significantly higher transparency than silver-containing metal layers of the same layer thickness, which have been deposited by conventional sputtering processes, in particular by magnetron sputtering at lower discharge voltages. The invention is apparently based on the effect that a significant increase in the discharge voltage compared to the values customary in the atomization of silver targets apparently leads to closed silver-containing layers even with smaller layer thicknesses.
  • Such a high voltage can advantageously be realized at low plasma impedances, such as are present in the case of silver sputtering, if the power supply is pulsed, i. H. if it is interrupted before the current has reached a value that can damage the target. Furthermore, it was surprisingly found that the transparency can be increased even further if in addition to the
  • the inlet of nitrogen has proven to be particularly effective.
  • a further increase in the discharge voltage to 850 V or 900 V also led to a further increase in the transparency with the same layer thickness of the silver-containing layer.
  • Technological requirements for transparent electrodes namely surface resistances between 10 ⁇ D and 30 ⁇ 0 for layer thicknesses that do not yet cause damage to the layer due to internal stresses, can be met with the method according to the invention, with a high optical transparency being achieved.
  • a pure silver layer is deposited as a silver-containing layer by sputtering a silver target. It is also particularly advantageous if the coating is carried out in such a way that the thickness of the silver-containing layer is less than 15 nm.
  • a polymer film made of polyethylene terephthalate PET is coated in a vacuum recipient by magnetron sputtering.
  • the film is wrapped in this recipient from an unwinding roll over a chill roll to a winding roll. While the slide passed over the chill roll, it passes through three coating stations one after the other in which it is coated with the ITO-Silver-ITO coating system.
  • the two ITO layers have a layer thickness of 40 nm.
  • the silver layer is applied by magnetron sputtering.
  • the magnetron in the coating station in which the silver coating takes place, is connected to a DC sputtering power supply, which is operated in constant voltage mode. 900 V are permanently set as the output voltage.
  • An electrical circuit between the DC sputter power supply alternately connects the DC sputter power supply to the magnetron for 10 ⁇ s and then the connection is interrupted for 80 ⁇ s. It is thereby achieved that the three-layer system ITO-silver-ITO deposited on polyethylene terephthalate has a transparency of 84% at a wavelength of 550 nm and an area resistance of 14 ⁇ D.
  • These layers are particularly suitable as transparent electrodes for use in flat screen technology or electroluminescent systems.

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Abstract

In numerous technical applications, layers with high optical transparency and good electrical conductivity are required, whereby layers of the utmost thinness with said properties are often sought. Magnetron atomisation methods are frequently used for the production of said layers. By application of a discharge voltage greater than 700 V the layer thickness of silver-containing layers can be significantly reduced with the same planar resistance and improved optical transparency. Production of flat screens, thin-layer solar cells, electroluminescence systems, etc.

Description

Verfahren zur Abscheidung transparenter silberhaltiger Metallschichten Process for the deposition of transparent silver-containing metal layers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von dünnen transparenten silber- haltigen Metallschichten hoher Leitfähigkeit im Vakuum. Solche Schichten können durchThe invention relates to a method for the deposition of thin transparent silver-containing metal layers of high conductivity in a vacuum. Such layers can pass through
Verdampfen des Metalls oder durch Kathodenzerstäubungsver ahren, auch Sputtern genannt, abgeschieden werden.Evaporation of the metal or by cathode sputtering, also called sputtering, are deposited.
Unter dünnen transparenten silberhaltigen Metallschichten hoher Leitfähigkeit werden im weiteren Schichten aus reinem Silber oder einer Silberlegierung mit einer Schichtdicke unter 20 nm und einem Flächenwiderstand unter 30 ΩD verstanden. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie optisch nicht dicht sind, d. h. noch einen erheblichen Teil des einfallendenThin transparent silver-containing metal layers of high conductivity are further understood to be layers of pure silver or a silver alloy with a layer thickness below 20 nm and a sheet resistance below 30 Ω D. These are characterized by the fact that they are not optically dense, that is to say a considerable part of the incident
Lichtes hindurchlassen.Let light through.
Derartige dünne silberhaltige Metallschichten finden als Komponenten von SchichtsystemenSuch thin silver-containing metal layers are found as components of layer systems
Anwendung, in denen sie eine hohe optische Transparenz bei möglichst guter elektrischer Leitfähigkeit gewährleisten müssen.Applications in which they have to ensure high optical transparency with the best possible electrical conductivity.
Eine wichtige Anwendung für dünne silberhaltige Schichten bildet ihr Einsatz als transparente Elektroden.An important application for thin silver-containing layers is their use as transparent electrodes.
Transparente Elektroden kommen heute in einer breiten Vielfalt von Geräten zur Anwendung. Besonders verbreitet ist ihre Verwendung in Flachbildschirmen, die sowohl für Displays an Computerarbeitsplätzen als auch in verschiedenen mobilen Geräten eingesetzt werden. Unabhängig von der speziellen Technologie der Bilderzeugung wird eine transparente Elektrode benötigt, die sich zwischen dem Betrachter und dem selbstleuchtenden oder das Fremdlicht modifizierenden Komponenten des Flachbildschirms befindet.Transparent electrodes are used today in a wide variety of devices. Their use is particularly widespread in flat screens which are used both for displays at computer workstations and in various mobile devices. Regardless of the special technology of image generation, a transparent electrode is required, which is located between the viewer and the self-illuminating components of the flat screen, or components that modify the external light.
Andere Produkte, in denen transparente Elektroden zum Einsatz kommen, sind Solarzellen, flache Lampen auf der Basis von organischer oder anorganischer Elektrolumineszenz, elektrochrome Gläser oder Spiegel.Other products in which transparent electrodes are used are solar cells, flat lamps based on organic or inorganic electroluminescence, electrochromic glasses or mirrors.
• Für viele Anwendungen dünner silberhaltiger Metallschichten, bei denen es auf den visuellen Eindruck eines fertigen Produktes ankommt, ist es wichtig, dass die Schichten gleichmäßig und mit guter Reproduzierbarkeit abgeschieden werden. Diese Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit bezieht sich auf die Schichtdicke, elektrische und optische Eigenschaften sowie auf Strukturparameter der Schicht. Das gilt insbesondere für transparente Elektroden. Auf Grund dieser Anforderungen ist in der Regel der Einsatz des Magnetron-Sputterns als Verfahren zur Schichtabscheidung notwendig. Verdampfungsprozesse gestatten es nicht, Schichten mit genügend gleichmäßigen Schichtparametern abzuscheiden.• For many applications of thin silver-containing metal layers, where the visual impression of a finished product is important, it is important that the layers are deposited evenly and with good reproducibility. This uniformity and reproducibility relates to the layer thickness, electrical and optical properties and to the structural parameters of the layer. This applies in particular to transparent electrodes. Due to these requirements, the use of the Magnetron sputtering necessary as a process for layer deposition. Evaporation processes do not allow layers with sufficiently uniform layer parameters to be deposited.
Nach dem heutigen Stand der Technik werden transparente Elektroden meist aus dem Halbleiter Indium-Zinn-Oxid (90% ln203, 10 % Sn02: Kurzbezeichnung ITO) hergestellt. Dieses Material ist im sichtbaren Spektralbereich transparent und besitzt eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich lO"4...^"3 Ωcm. Das ist zwar weit weniger als bei den in der Elektrotechnik eingesetzten Metallen wie Kupfer, Aluminium und Silber, aber es ist dennoch ausreichend für die meisten heutigen Anwendungen.According to the current state of the art, transparent electrodes are usually made from the semiconductor indium tin oxide (90% ln 2 0 3 , 10% Sn0 2 : short name ITO). This material is transparent in the visible spectral range and has an electrical conductivity in the range 10 "4 ... ^ " 3 Ωcm. Although this is far less than with the metals used in electrical engineering such as copper, aluminum and silver, it is nevertheless sufficient for most applications today.
Es ist bekannt, ITO durch Festkörperzerstäubung (Sputtern) im Vakuum aufzutragen, wobei üblicherweise verschiedene Magnetrons zum Einsatz kommen.It is known to apply ITO by means of solid-state atomization (sputtering) in a vacuum, with different magnetrons usually being used.
Dieses Verfahren, das dem heutigen Stand der Technik entspricht, besitzt jedoch erheblicheHowever, this method, which corresponds to the current state of the art, has considerable
Nachteile.Disadvantage.
Als Rohstoff zur Herstellung der Schicht wird Indium benötigt. Dieses Material ist nur beschränkt verfügbar. Daher und aus der Tatsache eines zu erwartenden Bedarfsanstiegs ist von einem Preisanstieg des Targetmaterials in den nächsten Jahren auszugehen. Das macht viele ökonomische Abschätzungen auf der Basis heutiger Informationen unsicher oder von vornherein unwirtschaftlich.Indium is required as the raw material for the production of the layer. This material is only available to a limited extent. Therefore and from the fact that an expected increase in demand can be expected, the price of the target material will increase in the next few years. This makes many economic assessments based on today's information uncertain or uneconomical from the start.
Für die Abscheidung hochwertiger ITO-Schichten mit Leitfähigkeitswerten von etwa 1 *10"4 Ohmcm ist ein Heizen des Substrats notwendig. Da die optimalen Temperaturen über 200 °C liegen, kommen verschiedene wärmeempfindliche Substrate für eine Beschichtung mit derartigen ITO-Schichten nicht in Frage.For the deposition of high-quality ITO layers with conductivity values of about 1 * 10 "4 Ohmcm, heating of the substrate is necessary. Since the optimal temperatures are above 200 ° C, various heat-sensitive substrates are not suitable for coating with such ITO layers.
Für hochwertiges ITO ist es notwendig, im Falle des Sputtems mit sehr niedrigen Brennspannungen von ca. 100 V zu arbeiten. Das kann nur durch ein speziell ausgestaltetes Magnetfeld erreicht werden oder durch die Einkopplung zusätzlicher elektrischer Energie.For high-quality ITO, it is necessary to work with very low operating voltages of approx. 100 V in the case of sputtering. This can only be achieved by using a specially designed magnetic field or by coupling additional electrical energy.
Bei sehr niederohmigen Schichten (10 ΩD und kleiner) ist es trotz der genannten Maßnahmen notwendig, eine Schicht von mehreren 100 nm abzuscheiden, wodurch sich Probleme mit der inneren Stabilität der Schicht ergeben können, da interne Kräfte, insbesondere die kompressive Schichtspannung, das Schichtgefüge negativ beeinflussen. Außerdem bedeuten große Schichtdicken stets erhöhte Beschichtungskosten durch die Erhöhung der Beschichtungszeit.In the case of very low-resistance layers (10 Ω D and less), despite the measures mentioned, it is necessary to deposit a layer of several 100 nm, which can lead to problems with the internal stability of the layer, since internal forces, in particular the compressive layer stress, the layer structure influence negatively. In addition, large layer thicknesses always mean increased coating costs due to the increased coating time.
Es gibt Bemühungen, ITO durch ein Halbleitermaterial zu ersetzen, das ähnliche Eigenschaften wie Indium-Zinn-Oxid besitzt und gleichzeitig aus Elementen aufgebaut ist, die ausreichend vorhanden und preiswert sind. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Zink-Aluminium-Oxid. Dieses Material ist wesentlich billiger als ITO, und es existiert keine Beschränkung bezüglich der Verfügbarkeit der Rohstoffe. Der Nachteil, hohe Substrattemperaturen einstellen zu müssen, besteht auch bei diesem Material. Ferner konnten nur spezifische Leitfähigkeiten erzielt werden, die leicht oberhalb denen des ITO liegen, was Schichtdicken ähnlich denen bei der Verwendung von ITO-Schichten bedingt. Somit bleiben die Probleme der Beschichtungskosten und der Schichtstabilität bestehen, wie sie aus dem Auftragen sehr dicker Schichten entstehen.Efforts have been made to replace ITO with a semiconductor material that has properties similar to indium tin oxide and at the same time is made up of elements that are sufficiently available and inexpensive. An example of this is the use of zinc aluminum oxide. This material is much cheaper than ITO and there is no restriction on the availability of the raw materials. This material also has the disadvantage of having to set high substrate temperatures. Furthermore, only specific conductivities could be achieved, which are slightly above those of the ITO, which means layer thicknesses similar to those when using ITO layers. Thus, the problems of coating costs and layer stability remain, as arise from the application of very thick layers.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung transparenter Elektroden besteht darin, eine dünne Metallschicht, in den meisten Fällen aus Silber, oder eine silberhaltige Schicht in zwei transparente Schichten, beispielsweise bestehend aus ITO, einzulagern. Dadurch wird die Leitfähigkeit des Gesamtsystems bei gleicher Dicke des Gesamtsystems erhöht, da das Metall, wie bereits oben erläutert, eine wesentlich höhere Leitfähigkeit besitzt als das transparente Material. Bei gleicher Leitfähigkeit sind wesentlich geringere Schichtdicken der ITO-Schichten erforderlich, da die Leitfähigkeit des Schichtsystems im Wesentlichen durch die Silberschicht bestimmt wird. Daher können solche Schichtsysteme beispielsweise auf Glassubstraten in der Displaytechnik auch deshalb Bedeutung erlangen, weil sie helfen, das teure Beschichtungsmaterial ITO zu sparen. [M. Bender et al. Thin Solid Films 326 (1998), 76-71).Another possibility for producing transparent electrodes is to store a thin metal layer, in most cases made of silver, or a silver-containing layer in two transparent layers, for example consisting of ITO. This increases the conductivity of the overall system with the same thickness of the overall system, since the metal, as already explained above, has a significantly higher conductivity than the transparent material. With the same conductivity, significantly lower layer thicknesses of the ITO layers are required, since the conductivity of the layer system is essentially determined by the silver layer. Therefore, such layer systems can gain importance in display technology, for example on glass substrates, because they help to save the expensive coating material ITO. [M. Bender et al. Thin Solid Films 326 (1998), 76-71).
Daneben kann dieses Schichtsystem auch als hochwertige transparente Elektrode auf Kunststoffen, beispielsweise Polyethylenterephalate (PET), verwendet werden (M. Fahland et al. Proceedings of ICCG 2000). Ein Nachteil dieser Methode besteht allerdings darin, dass die Transparenz des Gesamt- Systems durch den Einsatz einer reinen Metallschicht verringert wird. Es ist aus diesem Grunde wichtig, dass die Metallschicht selbst eine möglichst hohe Transparenz aufweist, um die Transparenz der Elektrode möglichst wenig zu reduzieren.In addition, this layer system can also be used as a high-quality transparent electrode on plastics, for example polyethylene terephalate (PET) (M. Fahland et al. Proceedings of ICCG 2000). A disadvantage of this method, however, is that the transparency of the overall system is reduced by using a pure metal layer. For this reason, it is important that the metal layer itself has the highest possible transparency in order to reduce the transparency of the electrode as little as possible.
Den Anwendungen mit einer Silberschicht ist gemeinsam, dass eine dünne Silberschicht durch Sputtern abgeschieden wird. Dazu wird üblicherweise ein Magnetron mit einem Silbertarget in einer Beschichtungskammer installiert. Anschließend wird die Kammer evakuiert und Argon als Arbeitsgas in die Kammer eingelassen. Das Target wird mit einer Sputterstromversorgung verbunden. Durch die Energiezufuhr wird eine Gasentladung gezündet. Auf Grund der sich in dem Entladungsplasma einstellenden Potenzialverhältnisse werden durch lonenbeschuss einzelne Atome aus dem Targetmaterial herausgeschlagen und können sich als Schicht auf dem Substrat abscheiden. Üblicherweise wird die Leistung der Sputterstromversorgung fest vorgegeben. Danach stellen sich Strom und Spannung entsprechend der Impedanzverhältnisse in der Entladungskammer ein. Üblicherweise stellt sich für Silbertargets eine Spannung zwischen 200 und 500 V ein. Der exakte Wert hängt dabei von der Größe der Targetfläche, dem Argondruck und dem Magnetfeld des Magnetrons ab.Common to the applications with a silver layer is that a thin silver layer is deposited by sputtering. A magnetron with a Silver target installed in a coating chamber. The chamber is then evacuated and argon is introduced into the chamber as the working gas. The target is connected to a sputter power supply. A gas discharge is ignited by the energy supply. Due to the potential conditions in the discharge plasma, individual atoms are knocked out of the target material by ion bombardment and can deposit as a layer on the substrate. The power of the sputtering power supply is usually fixed. Then current and voltage are set according to the impedance conditions in the discharge chamber. A voltage between 200 and 500 V is usually set for silver targets. The exact value depends on the size of the target area, the argon pressure and the magnetic field of the magnetron.
Es ist bekannt, dass sich bei der Abscheidung einer dünnen Metallschicht zunächst einige separate Metallinseln auf dem Substrat bilden. Man bezeichnet das als aggregierten Zustand der Schicht. Mit zunehmender Beschichtungsdauer, d. h. wachsender Anzahl von Metallatomen auf dem Substrat, wachsen diese Inseln zusammen und bilden eine geschlossene Schicht.It is known that when a thin metal layer is deposited, a few separate metal islands initially form on the substrate. This is called the aggregate state of the layer. With increasing coating time, i.e. H. increasing number of metal atoms on the substrate, these islands grow together and form a closed layer.
Im aggregierten Zustand weichen die optischen und elektrischen Parameter der Schicht erheblich von denen der geschlossenen Schicht ab. Der aggregierte Zustand ist durch einen erhöhten elektrischen Widerstand und eine erhöhte optische Absorption gekennzeichnet. Für alle oben angeführten Anwendungen ist es vorteilhaft, möglichst dünne Schichten abzuscheiden, die bereits geschlossenen sind. Schichtdicken silberhaltiger Schichten von über 20 nm sind durch ihre naturgemäß geringe Transparenz für transparente Elektroden ungeeignet. Es ist bekannt, dass der Übergang vom aggregierten Zustand zum geschlossenen Film je nach Substrat und Unterschicht verschieden sein kann. Insbesondere spielt dabei dieIn the aggregated state, the optical and electrical parameters of the layer differ significantly from those of the closed layer. The aggregated state is characterized by an increased electrical resistance and an increased optical absorption. For all the applications listed above, it is advantageous to deposit layers that are as thin as possible and that are already closed. Layer thicknesses of silver-containing layers of over 20 nm are unsuitable for transparent electrodes due to their naturally low transparency. It is known that the transition from the aggregated state to the closed film can vary depending on the substrate and sublayer. In particular, the
Rauhigkeit der Ober läche eine entscheidende Rolle (Abeles e.al. Festkörperprobleme XXIV (1984), 93-1 17)Roughness of the surface plays a crucial role (Abeles e.al. Solid State Problems XXIV (1984), 93-1 17)
Es ist ferner bekannt, dass der Übergang durch Überlagerung einer RF-Entladung und einer DC-Entladung beeinflusst werden kann. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass man eine Station mit mehreren Sputterstromversorgungen ausrüsten muss. Ferner ist es technisch äußerst aufwendig, großflächige Magnetrons mit RF- Sputterstromversorgungen zu versehen.It is also known that the transition can be influenced by superimposing an RF discharge and a DC discharge. The disadvantage of this method is that one station has to be equipped with several sputter power supplies. Furthermore, it is technically extremely complex to provide large-area magnetrons with RF sputtering power supplies.
Ferner ist bekannt, dass die eingestellte Beschichtungsrate den Übergang beeinflusst. (Journal of Optical Society V40 No. 4 (1950)) . Da jedoch in einer Durchlaufanlage eine konstante Substratgeschwindigkeit in allen Stationen eingehalten werden muss, hat dieses Verfahren den Nachteil, dass es für die anderen Abscheidungsprozesse Randbedingungen schafft, die sich ungünstig auf Investitionskosten oder Produktivität der Anlage auswirken kann.It is also known that the set coating rate influences the transition. (Journal of Optical Society V40 No. 4 (1950)). However, since in a continuous system This process has the disadvantage that it has to maintain constant substrate speed in all stations, that it creates boundary conditions for the other deposition processes, which can have an unfavorable effect on investment costs or productivity of the plant.
Ferner ist bekannt, den Übergang zur geschlossenen Schicht durch Einstellung der Substrattemperatur zu beeinflussen (Journal of Optical Society V40 No. 4 (1950)), (Abeles e.al. Festkörperprobleme XXIV (1984), 93-117). Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es zusätzlichen Aufwand für die Substratheizung bedeutet und nachfolgende Prozessschritte beeinflusst werden können. Ferner ist die Methode insbesondere für Polymersubstrate nur bedingt einsetzbar, die diese keinen hohen Temperaturen ausgesetzt sein dürfen.It is also known to influence the transition to the closed layer by adjusting the substrate temperature (Journal of Optical Society V40 No. 4 (1950)), (Abeles et al. Solid State Problems XXIV (1984), 93-117). The disadvantage of this method is that it means additional effort for the substrate heating and subsequent process steps can be influenced. Furthermore, the method can only be used to a limited extent, in particular for polymer substrates, which must not be exposed to high temperatures.
Eine Reduzierung der Schichtdicke einer silberhaltigen Schicht ist nach dem Stand der Technik für die genannten Anwendungen nur bis zu einem bestimmten Grad sinnvoll bzw. wirtschaftlich. Unterhalb einer bestimmten Übergangsschichtdicke, die bei Silber je nach Prozessbedingungen zwischen 10 und 18 nm liegen kann, liegt keine kontinuierliche Schicht, sondern ein Konglomerat von einzelnen Schichtinseln vor. Das zeigt sich einerseits in einer drastischen Erhöhung des elektrischen Widerstandes und führt andererseits auch trotz weiter sinkender Schichtdicke zu einer steigenden Absorption innerhalb der Schicht. Daraus folgt, dass es für die Erzielung der maximalen Transparenz einer silberhaltigen Schicht eine optimale Dicke der silberhaltigen Schicht gibt, die maßgeblich durch die Übergangsschichtdicke bestimmt wird, bei der erstmals die Ausbildung einer geschlossenen Schicht erfolgt. Die Transparenz der silberhaltigen Schicht bestimmt zugleich die Transparenz des gesamten Schichtsystems, das die silberhaltige Schicht enthält, also beispielsweise einer transparenten Elektrode für Elektrolumineszenzsysteme.A reduction in the layer thickness of a silver-containing layer is only sensible or economical to a certain degree according to the prior art for the applications mentioned. Below a certain transition layer thickness, which for silver can be between 10 and 18 nm depending on the process conditions, there is no continuous layer, but a conglomerate of individual layer islands. This shows itself on the one hand in a drastic increase in the electrical resistance and on the other hand also leads to an increasing absorption within the layer despite the further decrease in the layer thickness. It follows from this that there is an optimal thickness of the silver-containing layer for achieving the maximum transparency of a silver-containing layer, which is largely determined by the transition layer thickness at which the formation of a closed layer occurs for the first time. The transparency of the silver-containing layer also determines the transparency of the entire layer system which contains the silver-containing layer, that is to say, for example, a transparent electrode for electroluminescent systems.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren anzugeben, das es gestattet, eine möglichst dünne silberhaltige Schicht mit möglichst hoher optischer Transparenz und guter Leitfähigkeit herzustellen.The invention is based on the object of specifying a method which is improved compared to the prior art and which permits the production of a thin silver-containing layer with the highest possible optical transparency and good conductivity.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen enthalten die Ansprüche 2 bis 8.According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1. Claims 2 to 8 contain further advantageous refinements.
Erfindungsgemäß wird bei der Zerstäubung eines silberhaltigen Targets dafür gesorgt, dass die Magnetronentladung bei Spannungen zwischen Kathode und Anode von über 700 V betrieben wird. Dabei ist es unerheblich, ob als Anode eine spezielle Elektrode oder ein weiteres als Anode geschaltetes Magnetron dient. Überraschend wurde festgestellt, dass dünne silberhaltige Metallschichten, die unter diesen Umständen abgeschieden werden, eine wesentlich höhere Transparenz aufweisen als silberhaltige Metallschichten gleicher Schichtdicke, die durch konventionelle Sputterprozesse, also vor allem durch Magnetronzerstäubung bei niedrigeren Entladungsspannungen, abgeschieden worden sind. Die Erfindung beruht offenbar auf dem Effekt, dass eine deutliche Erhöhung der Entladungsspannung gegenüber den bei der Zerstäubung von Silbertargets üblichen Werten offenbar bereits bei geringeren Schichtdicken zu geschlossenen silberhaltigen Schichten führt.According to the invention, the atomization of a silver-containing target ensures that the magnetron discharge at voltages between the cathode and the anode of more than 700 V. is operated. It is irrelevant whether a special electrode or another magnetron connected as an anode is used as the anode. It was surprisingly found that thin silver-containing metal layers, which are deposited under these circumstances, have a significantly higher transparency than silver-containing metal layers of the same layer thickness, which have been deposited by conventional sputtering processes, in particular by magnetron sputtering at lower discharge voltages. The invention is apparently based on the effect that a significant increase in the discharge voltage compared to the values customary in the atomization of silver targets apparently leads to closed silver-containing layers even with smaller layer thicknesses.
Eine so hohe Spannung kann bei niedrigen Plasmaimpedanzen, wie sie bei der Silberzerstäubung vorliegen, auf vorteilhafte Weise realisiert werden, wenn die Leistungszufuhr gepulst erfolgt, d. h. wenn sie unterbrochen wird, bevor der Strom einen Wert erreicht hat, der zu einer Schädigung des Targets führen kann. Ferner wurde überraschend festgestellt, dass die Transparenz noch weiter erhöht werden kann, wenn zusätzlich zu dem beiSuch a high voltage can advantageously be realized at low plasma impedances, such as are present in the case of silver sputtering, if the power supply is pulsed, i. H. if it is interrupted before the current has reached a value that can damage the target. Furthermore, it was surprisingly found that the transparency can be increased even further if in addition to the
Sputterprozessen üblichen Edelgas, vorzugsweise Argon, noch ein weiteres, mehratomiges Gas eingelassen wird. Dieses bildet offenbar unter Plasmaeinwirkung am Substrat bzw. bereits vorhandenen Unterschichten freie Radikale, die das Aggregationsverhalten beeinflussen. Als besonders wirkungsvoll hat sich der Einlass von Stickstoff erwiesen. Eine weitere Erhöhung der Entladungsspannung auf 850 V bzw. 900 V führte ebenfalls zu einer nochmaligen Erhöhung der Transparenz bei gleicher Schichtdicke der silberhaltigen Schicht. Technologische Anforderungen an transparente Elektroden, nämlich Flächenwiderstände zwischen 10 ΩD und 30 Ω0 bei Schichtdicken, die noch nicht zu Schädigungen der Schicht durch innere Spannungen führen, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfüllen, wobei eine hohe optische Transparenz erreicht wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als silberhaltige Schicht eine reine Silberschicht durch Zerstäuben eines Silbertargets abgeschieden wird. Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Beschichtung so vorgenommen wird, dass die Dicke der silberhaltigen Schicht unter 15 nm liegt.Sputter processes customary noble gas, preferably argon, yet another, multi-atom gas is admitted. Under the influence of plasma, this apparently forms free radicals on the substrate or already present sub-layers, which influence the aggregation behavior. The inlet of nitrogen has proven to be particularly effective. A further increase in the discharge voltage to 850 V or 900 V also led to a further increase in the transparency with the same layer thickness of the silver-containing layer. Technological requirements for transparent electrodes, namely surface resistances between 10 Ω D and 30 Ω 0 for layer thicknesses that do not yet cause damage to the layer due to internal stresses, can be met with the method according to the invention, with a high optical transparency being achieved. It has proven to be particularly advantageous if a pure silver layer is deposited as a silver-containing layer by sputtering a silver target. It is also particularly advantageous if the coating is carried out in such a way that the thickness of the silver-containing layer is less than 15 nm.
An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
In einem Vakuum-Rezipienten wird eine Polymerfolie aus Polyethylenterephtalate PET durch Magnetronsputtem beschichtet. Dazu wird die Folie in diesem Rezipienten von einer Ab- wickelrolle über eine Kühlwalze auf eine Aufwickelrolle umgewickelt. Während die Folie über die Kühlwalze geführt wird, durchläuft sie nacheinander drei Beschichtungsstationen, in denen sie mit dem Schichtsystem ITO-Silber-ITO beschichtet wird. Die beiden ITO- Schichten haben eine Schichtdicke von 40 nm.A polymer film made of polyethylene terephthalate PET is coated in a vacuum recipient by magnetron sputtering. For this purpose, the film is wrapped in this recipient from an unwinding roll over a chill roll to a winding roll. While the slide passed over the chill roll, it passes through three coating stations one after the other in which it is coated with the ITO-Silver-ITO coating system. The two ITO layers have a layer thickness of 40 nm.
Die Silberschicht wird erfindungsgemäß durch Magnetronsputtem aufgebracht. Das Magnetron in der Beschichtungsstation, in welcher die Silberbeschichtung erfolgt, wird mit einer DC-Sputterstromversorgung verbunden, die im Konstant-Spannungs-Mode betrieben wird. Als Ausgangsspannung werden 900 V fest eingestellt. Zwischen die DC-Sputterstromversorgung wird durch eine elektrische Schaltung abwechselnd für 10 μs die DC- Sputterstromversorgung mit dem Magnetron verbunden und anschließend die Verbindung für 80 μs unterbrochen. Dadurch wird erreicht, dass das auf Polyethylenterephtalat abgeschiedene Dreischichtsystem ITO-Silber-ITO eine Transparenz von 84 % bei einer Wellenlänge von 550 nm aufweist und einen Flächenwiderstand von 14 ΩD besitzt. Diese Schichten sind besonders geeignet als transparente Elektroden für den Einsatz in der Flachbildschirmtechnik oder Elektrolumineszenzsystemen. According to the invention, the silver layer is applied by magnetron sputtering. The magnetron in the coating station, in which the silver coating takes place, is connected to a DC sputtering power supply, which is operated in constant voltage mode. 900 V are permanently set as the output voltage. An electrical circuit between the DC sputter power supply alternately connects the DC sputter power supply to the magnetron for 10 μs and then the connection is interrupted for 80 μs. It is thereby achieved that the three-layer system ITO-silver-ITO deposited on polyethylene terephthalate has a transparency of 84% at a wavelength of 550 nm and an area resistance of 14 Ω D. These layers are particularly suitable as transparent electrodes for use in flat screen technology or electroluminescent systems.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Abscheidung von silberhaltigen Metallschichten mit Schichtdicken unter 20 nm durch Magnetron-Sputtern in einer argonhaltigen Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsprozess so geregelt wird, dass zumindest zeitweise zwischen mindestens einem als Kathode betriebenen Magnetron mit einem Target aus dem zu zerstäubenden Material und mindestens einer Anode eine Spannung anliegt, die größer als 700 V ist.1. A method for the deposition of silver-containing metal layers with layer thicknesses below 20 nm by magnetron sputtering in an argon-containing atmosphere, characterized in that the coating process is regulated so that at least temporarily between at least one magnetron operated as a cathode with a target made of the material to be atomized and at least one anode is at a voltage greater than 700 V.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladung des Sputterprozesses gepulst betrieben wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the plasma discharge of the sputtering process is operated in a pulsed manner.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target aus reinem Silber zerstäubt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a target of pure silver is atomized.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der argonhaltigen Atmosphäre Stickstoff zugeführt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that nitrogen is supplied to the argon-containing atmosphere.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der silberhaltigen Metallschicht auf ein Polymersubstrat erfolgt.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the deposition of the silver-containing metal layer is carried out on a polymer substrate.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der silberhaltigen Metallschicht auf ein Glassubstrat erfolgt.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the deposition of the silver-containing metal layer is carried out on a glass substrate.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise die Plasmaentladung mit einer Spannung betrieben wird, die größer als 850 V ist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the plasma discharge is operated at least temporarily with a voltage which is greater than 850 V.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung so vorgenommen wird, dass die Dicke der silberhaltigen Schicht unter8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the coating is carried out so that the thickness of the silver-containing layer below
15 nm liegt. Is 15 nm.
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DE19726966C1 (en) * 1997-06-25 1999-01-28 Flachglas Ag Process for the production of a transparent silver layer with a high specific electrical conductivity, glass pane with a thin layer system with such a silver layer and its use

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