DE10039412A1

DE10039412A1 - Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer transparenten, leitfähigen Beschichtung

Info

Publication number: DE10039412A1
Application number: DE2000139412
Authority: DE
Inventors: Jutta Trube; Andreas Kloeppel; Bernd Meyer
Original assignee: Balzers Process Systems GmbH
Current assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-02-21

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer transparenten, leitfähigen Beschichtung aus n Metallschichten (n = eine ganze Zahl größer oder gleich 1) und (n + 1) Oxidschichten in einer Beschichtungskammer, wobei von der Substratseite her abwechselnd eine Oxidschicht und eine Metallschicht und anschließend eine Oxid-Deckschicht abgeschieden wird, wird zumindest eine der Metallschichten unter Zugabe von Sauerstoff in die Beschichtungskammer abgeschieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer transparenten, leitfähigen Beschichtung aus n Metallschichten (n = eine ganze Zahl größer oder gleich 1) und (n + 1) Oxidschichten, wobei von der Substratseite her abwechselnd eine Oxidschicht und eine Metallschicht und abschließend eine Oxid-Deckschicht aufgebracht wird.

Substrate mit einer transparenten, leitfähigen Beschichtung werden verbreitet als Dünn schichtsysteme mit der Funktion als elektromagnetische Abschirmung, infrarot-reflektierende Schicht, als niederohmige transparente Elektrode in Displays (Monitore) oder als Wärme dämmschicht mit extrem niedrigem Wärmedurchgangskoeffizienten k eingesetzt. Die Be schichtung der Substrate erfolgt dabei in der Regel mittels DC-Magnetronsputtern, HF/DC- Magnetronsputtern oder HF-Magnetronsputtern.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer transparenten, leitfähigen Beschich tung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist beispielsweise aus der EP-A-0 733 931 be kannt. Dort ein Dreischichtsystem (n = 1) mit einer Silberlegierungsschicht als elektrischer Funktionsschicht und Indium-Cer-Oxid als Material für Haft- und Deckschicht beschrieben, bei dem ein Flächenwiderstand von 2,5 Ohm/Square bei nachfolgender Temperbehandlung an Luft erreicht wird.

Aus der DE-A-197 33 053 ist bekannt, niederohmige transparente Schichtsysteme als Fünf schichtsystem mit zwei 6-12 nm dicken Silber-Kupferlegierungsschichten als elektrische Funktionsschichten und Indium-Zinn-Oxid als Material für Haft-, Mittel- und Deckschicht bei einem erreichbaren Flächenwiderstand von 2,5 Ohm/Square im Vakuum herzustellen. Ein Fünfschichtsystem mit zwei 10-15 nm dicken Silberschichten als elektrische Funktions schichten und Indium-Zinn-Oxid als Material für Haft-, Mittel- und Deckschicht ist in der Druckschrift JP 10-208554 beschrieben.

Es ist weiter aus der Druckschrift JP 10-241464 bekannt, (2n + 1)-schichtige Systeme herzu stellen (n = Anzahl der Metallschichten), bei denen die Oxidschicht aus Indiumoxid, Indium- Zink-Oxid oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) besteht und die Metallschichten aus Ag oder Ag mit Au- oder Pd-Zusatz besteht. Die Metallschichten weisen eine Dicke von 3-20 nm Dicke auf und es erfolgt ein Nachtemperschritt bei 100-300°C.

Bei der Herstellung von Wärmedämmschichten auf Glas ist es bekannt, Drei-, Fünf oder Sie benschichtsysteme aus reaktiv vom Metalltarget abgeschiedenem Zinkoxid oder Zinnoxid sowie Silber mit einem Flächenwiderstand von 4 Ohm/Square herzustellen. Die Wärme dämmschichten können dabei getempert oder nicht getempert sein. Wegen der reaktiven Ab scheidung vom Metalltarget sind jedoch in allen Fällen Blockermaterialien zum Schutz der Silberschichten erforderlich. Dabei ist in der Regel für jede Blockerschicht eine zusätzliche Kathode zu deren Abscheidung notwendig, was einen zusätzlichen apparativen Aufwand be dingt und zu höheren Kosten für die Gesamtanlage führt.

Nachteilig an den bekannten transparenten beschichteten Substraten ist, daß der erreichbare elektrische Flächenwiderstand minimal 2,5 Ohm/Square beträgt. Für die genannten Anwen dungen ist es jedoch von Vorteil, wenn der Flächenwiderstand der beschichteten Substrate so klein wie möglich ist.

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzuentwickeln, daß transparente, beschichtete Substrate mit verringertem Flächenwiderstand hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dabei werden von der Substratseite her abwechselnd eine Oxidschicht und eine Metallschicht und abschließend eine Oxid-Schicht auf das Substrat aufgebracht, so daß eine Beschichtung aus n Metallschichten und (n + 1) Oxidschichten, mit n einer ganzen Zahl größer oder gleich 1, entsteht. Überraschend wurde nun gefunden, daß verminderter Flächenwiderstand der be schichteten Substrate erreicht wird, wenn die Abscheidung zumindest einer der n Metall schichten unter Zugabe von Sauerstoff in die Beschichtungskammer erfolgt.

Wegen der Gefahr der Oxidation hat man bisher Sauerstoff bei der Herstellung der Metall schichten vermieden. So werden etwa beim reaktiven Abscheiden der Oxidschichten vom Metalltarget in hoch Sauerstoffhaltiger Atmosphäre spezielle Blockerschichten zum Schutz der Metallschichten gegen Oxidation verwendet. Die gegenwärtigen Erfinder haben nun über raschend gefunden, daß die Abscheidung der Metallschichten in einer Sauerstoff enthaltenden Gasatmosphäre den Flächenwiderstand des beschichteten Substrats vermindert. Es wird ver mutet, daß die Zugabe einer begrenzten Menge Sauerstoff in die Beschichtungskammer beim Abscheiden der Metallschicht zu einer Stabilisierung der Metallschicht und dadurch zu der Verringerung der Flächenwiderstands führt. Erreichbar ist ein Flächenwiderstand von jeden falls unter 1,5 Ohm/Square und sogar von unterhalb 1,2 Ohm/Square; gleichzeitig wird für die transparenten, beschichteten Substrate eine hohe Transmission (< 70%) im sichtbaren Spekt ralbereich und eine niedrige Transmission (< 10% bei 800 nm) im nahen Infrarot erzielt.

Besonders günstige Eigenschaften weisen Fünfschichtsysteme (n = 2) auf, jedoch liegt auch die Herstellung von Dreischichtsystemen (n = 1), Siebenschichtsystemen (n = 3) und Viellagen schichten höherer Schichtenzahl im Rahmen der Erfindung.

Die Abscheidung der Schichten erfolgt insbesondere mittels DC-Magnetronsputtern, HF/DC- Magnetronsputtern oder HF-Magnetronsputtern. Als Materialien für die Oxidschichten kom men dabei beispielsweise binäre oder ternäre Oxide der Metalle Indium, Zinn, Zink, Cer, Ti tan, Aluminium, Antimon, insbesondere Zinkoxid, Zinnoxid, Titanoxid, Indium-Cer-Oxid und Indium-Zinn-Oxid (ITO) in Frage. Als Materialien für die Metallschichten dienen bei spielsweise reines Silber, Gold, Kupfer, Palladium und Aluminium sowie Legierungen aus diesen Metallen, insbesondere Silber-Gold-Legierungen mit einem Goldanteil von etwa 2%. Das Substratmaterial ist bevorzugt Glas oder ein transparenter Kunststoff.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird die zumindest eine Metallschicht in einer Gas atmosphäre abgeschieden, die zwischen 0,01 und 10%, bevorzugt zwischen 0,1 und 5%, be sonders bevorzugt zwischen 0,5 und 2% Sauerstoff enthält.

Es wurde auch gefunden, daß der erreichbare Flächenwiderstand vom Sauerstofffluß durch die Beschichtungskammer abhängt, und bei einem bestimmten Fluß minimal wird. Der optimale Sauerstofffluß hängt von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Größe der Beschichtungs kammer oder der Art der verwendeten Depositionsgase ab. Ausgehend von dieser Erkenntnis liegt die Bestimmung seiner Größe bei einem bestimmten Beschichtungssystem und gegebe nen Prozeßbedingungen im Rahmen des handwerklichen Könnens des Fachmanns.

Bevorzugt werden in dem Herstellungsverfahren alle n Metallschichten unter Sauerstoffzuga be abgeschieden. Dadurch werden besonders niedrige Werte für den Flächenwiderstand er reicht.

Es hat sich weiter als vorteilhaft herausgestellt, die Oxidschichten von einem oxidischen Tar get abzuscheiden, da dann auf zusätzliche Blockerschichten zum Schutz der Metallschichten verzichtet werden kann.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Substrat während der Abscheidung der Schichten auf einer Temperatur oberhalb von 50°C, bevorzugt auf einer Temperatur zwischen 80°C und 200°C gehalten wird.

Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren n = 2 gewählt, also ein Fünfschicht system hergestellt. Als Metallschichten werden vorteilhaft Silber-Gold-Legierungsschichten, als Oxidschichten zweckmäßig Indium-Cer-Oxid- oder Indium-Zinn-Oxid-Schichten abge schieden.

Zweckmäßig werden die Metallschichten mit einer Schichtdicke von 5 bis 20 nm und die Oxidschichten mit einer Schichtdicke von 30 bis 70 nm abgeschieden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Zeichnun gen. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Substrat mit einer transparenten, leitfähigen Beschichtung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 die Abhängigkeit des Flächenwiderstand und der maximalen Transmission im sichtbaren Spektralbereich von der Depositionstemperatur für ein Dreischicht system (n = 1), ITO/AgCu/ITO;

Fig. 3 die Abhängigkeit des Flächenwiderstands eines Fünfschichtsystems (n = 2) von der Sauerstoffzugabe zum Sputtergas bei der Abscheidung der Metallschichten;

Fig. 4 die Abhängigkeit des Flächenwiderstands eines Fünfschichtsystems (n = 2) von der Sauerstoffzugabe zum Sputtergas bei der Abscheidung der Oxidschichten;

Fig. 5 Transmissionsspektren von Fünfschichtsystemen nach der Erfindung unter Ver wendung von Indium-Cer-Oxid und Indium-Zinn-Oxid als Oxidschichtmaterial;

Fig. 6 das Transmissionsspektrum eines Dreischichtsystems nach der Erfindung mit Indium-Zinn-Oxid als Oxidschichtmaterial;

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein beschichtetes Substrat, wie es nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Auf einem Substrat 10 ist eine Beschich tung 20 aufgebracht, die von der Substratseite her gesehen abwechselnd Oxidschichten 22, 24 und Metallschichten 23, 25 enthält. Abschließend ist wieder eine Oxid-Deckschicht 26 aufge bracht. Fig. 1 zeigt ein Fünfschichtsystem 20, allgemein ist die Erfindung jedoch auf (2n + 1)- Schichtsysteme anwendbar, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 darstellt. Dabei ent hält die allgemeine Beschichtung n Metallschichten und (n + 1) Oxidschichten in alternierender Folge beginnend und endend mit einer Oxidschicht.

In einem Dreischichtsystem (n = 1), bestehend aus einer auf ein Glassubstrat aufgebrachten Indium-Zinn-Oxid-Grundschicht (ITO), einer Silber-Kupfer-Metallschicht (90 : 10) und einer Indium-Zinn-Oxid-Deckschicht hat die Metallschicht eine Dicke von 8 nm. Fig. 2 zeigt bei einem solchen Substrat den relativen Verlauf des Flächenwiderstand (linke Ordinate) und der maximalen Transmission (rechte Ordinate) im sichtbaren Spektralbereich in Abhängigkeit von der Depositionstemperatur. Es ist deutlich zu erkennen, daß bis zu einer Temperatur von 150°C der Flächenwiderstand mit zunehmender Abscheidungstemperatur abnimmt, und daß gleichzeitig die maximale Transmission zunimmt. Bei einer Temperatur von 150°C bei der Abscheidung ergibt sich ein so geringer Flächenwiderstand, daß auf einen nachfolgenden Temperschritt, der üblicherweise bei 200°C oder mehr durchgeführt wird, verzichtet werden kann. Dadurch ist auch die Abscheidung auf hitzeempfindlichen Kunststoffsubstraten mög lich.

Ein Fünfschichtsystem (n = 2) mit einer 37 nm dicken Indium-Cer-Oxid-Grundschicht, einer 15 nm dicken Silber-Gold-Legierungsschicht (2 Gewichts-% Gold), einer 74 nm dicken mittleren Indium-Cer-Oxidschicht, einer zweiten 15 nm dicken Silber-Gold-Legierungsschicht und ei ner 37 nm dicken Indium-Cer-Oxid-Deckschicht wird wie folgt in einer vertikal beschichten den InLine Sputteranlage ZV 6000 mittels DC-Magnetronsputtern hergestellt:

Zunächst wird das Substrat auf 150°C vorgeheizt. Dann wird die Indium-Cer-Oxid (ICO) Grundschicht bei einer Leistung von 1,8 W/cm² und einem Druck von 2,2 µbar unter Ver wendung von Ar und Ar/O₂ (Verhältnis 85 : 15) als Sputtergase vom Oxidtarget abgeschieden. Der Gasfluß von Ar/O₂ (85 : 15) beträgt dabei beispielsweise 19 sccm. Nachfolgend wird die erste AgAu-Metallschicht (2 Gewichts-% Au) bei 0,5 W/cm² und einem Druck von 2,2 µbar unter Verwendung von Ar und Ar/02 (85 : 15) als Sputtergase abgeschieden. Der Gasfluß von Ar/O₂ (85 : 15) beträgt dabei beispielsweise 4 sccm. Danach werden die mittlere ICO-Schicht, die zweite AgAu-Schicht, und die ICO-Deckschicht unter denselben Prozeßbedingungen bis zur genannten Dicke abgeschieden.

Bei einem anderen Fünfschichtsystem wird Indium-Zinn-Oxid (ITO) anstelle von Indium-Cer- Oxid als Oxidschichtmaterial verwendet. Um höchstmögliche Transmission im sichtbaren Spektralbereich zu erzielen, weisen die Metallschichten eine Dicke von 15 nm und die Oxid schichten Dicken von 41,5 nm, 83 nm, und 41,5 nm auf.

Um den Flächenwiderstand der beschichteten Substrate zu minimieren, wurde der Sau erstofffluß in der Beschichtungskammer während der Abscheidung der Metallschichten sys tematisch variiert. Der Sauerstofffluß wurde dabei über den Gasfluß des Sputtergases Ar/O₂ (85 : 15) verändert. Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Flächenwiderstands eines Fünfschicht systems von der Sauerstoffzugabe zum Sputtergas bei der Abscheidung der Metallschichten. Bei einem Fluß von 4 sccm Ar/O₂ (85 : 15) ergab sich der minimaler Flächenwiderstand von 1,17 Ohm/Square für ein ICO/AgAu/ICO/AgAu/ICO-Fünfschichtsystem. Bei der Verwen dung von Indium-Zinn-Oxid als Material für die Oxidschichten wurden 1,27 Ohm/Square erreicht.

Auch die Sauerstoffzugabe zum Sputtergas bei der Abscheidung der Oxidschichten beeinflußt den erreichbaren Flächenwiderstand. Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des Flächenwiderstands eines Fünfschichtsystems von der Sauerstoffzugabe bei der Abscheidung der Oxidschichten. Dabei erbrachte ein Fluß von 19 sccm Ar/O₂ (85 : 15) minimalen Flächenwiderstand.

Für die Transmission im Wellenlängenbereich von 350 = 900 nm wurden unter Verwendung des oben beschriebenen Schichtaufbaus maximale Transmissionswerte von 70,8% mit Indi um-Zinn-Oxid, beziehungsweise 78,2% mit Indium-Cer-Oxid erreicht (Fig. 5). Bei einer Wellenlänge von 800 nm im nahen Infrarot waren die erzielten Transmissionswerte 6,1% mit Indium-Zinn-Oxid, beziehungsweise 9,2% mit Indium-Cer-Oxid. Für ein Dreischichtsystem, das unter Verwendung von ITO für die Oxidschicht und mit einer 8 nm dicken AgCu- Metallschicht bei einer Depositionstemperatur von 150°C hergestellt wurde, liegt die maxi male Transmission im sichtbaren Spektralbereich bei < 81% (Fig. 6).

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer transparenten, leitfähigen Be schichtung aus n Metallschichten (n = eine ganze Zahl größer oder gleich 1) und (n + 1) Oxidschichten in einer Beschichtungskammer,
wobei von der Substratseite her abwechselnd eine Oxidschicht und eine Metallschicht und abschließend eine Oxid-Deckschicht abgeschieden wird,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Metallschichten unter Zugabe von Sauerstoff in die Beschichtungs kammer abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zumindest eine Metallschicht in einer Gasat mosphäre abgeschieden wird, die zwischen 0,01 und 10%, bevorzugt zwischen 0,1 und 5%, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 2% Sauerstoff enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem während des Abscheidens der zumindest einen Metallschicht durch die Beschichtungskammer ein Sauerstofffluß aufrechterhalten wird, dessen Größe so bemessen wird, daß der Flächenwiderstand der transparenten, leitfähigen Beschichtung minimal ist.

4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Oxidschichten von einem oxidischen Target abgeschieden werden.

5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Substrat während der Ab scheidung der Schichten auf einer Temperatur oberhalb von 50°C, bevorzugt auf einer Temperatur zwischen 80°C und 200°C gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem als Metallschichten Silber-Gold- Legierungsschichten und als Oxidschichten Indium-Cer-Oxid- oder Indium-Zinn-Oxid- Schichten abgeschieden werden.

7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Metallschichten mit einer Schichtdicke von 5 bis 20 nm und die Oxidschichten mit einer Schichtdicke von 30 bis 70 nm abgeschieden werden.