DE102012003828A1

DE102012003828A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels eines Metalloxids mit wechselnder Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE102012003828A1
Application number: DE201210003828
Authority: DE
Inventors: Dr. Linß Volker
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazu verwendbare Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide mittels Magnetronsputtern auf einem Substrat 4 im Durchlaufverfahren, indem das Targetmaterial 15 von einem Target 10 reaktiv gesputtert und in einem Beschichtungsbereich 2 auf einem Substrat 4 abgeschieden wird. Um eine effektive und kostengünstige Abscheidung eines Schichtstapels mit isolierender und elektrisch leitfähiger Schicht mit reproduzierbar einstellbaren elektrischen und optischen Eigenschaften zu erzielen, wird beim Transport des Substrats 4 durch den Beschichtungsbereich 2 des Targets 10 hindurch mindestens eine isolierende Metalloxidschicht und mindestens eine leitfähige Metalloxidschicht desselben Metalloxids abgeschieden.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das reaktive Magnetronsputtern zur Abscheidung von transparenten Metalloxidschichten auf einem Substrat. Sie betrifft insbesondere Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von TCO-Schichten (Transparent Conductive Oxid), wobei in einem Stapel von zumindest zwei TCO-Schichten die elektrische Leitfähigkeit wechselt.
Beim Magnetronsputtern wird unter Vakuum in einem geeigneten Prozessgas zwischen einem zu beschichtenden Substrat und einem Magnetron, ein als Elektrode geschaltetes Target und ein Magnetsystem umfassend, ein Plasma gezündet, dessen positive Ladungsträger durch den Sputtereffekt die oberen Schichten des Targets abtragen. Es können Metalle ohne oder mit Anwesenheit von Reaktivgas gesputtert werden und in letzterem Fall z. B. als Oxid oder Nitrid auf einem der Abtragsoberfläche des Targets gegenüberliegendem Substrat abgeschieden werden. In vergleichbarer Weise ist es möglich auch andere Materialverbindungen als Targetmaterial einzusetzen und zu sputtern.
Zur Unterstützung der Plasmabildung wie auch der Beschleunigung der Ionen auf die Targetoberfläche ist auf der dem Plasma abgewandten Seite des Targets ein Magnetsystem mit nebeneinander liegenden Magneten örtlich wechselnder Polung angeordnet. Bekanntermaßen besteht ein solches zum Magnetronsputtern eingesetztes Magnetsystem meist aus einem zentralen Polschuh erster Polung den Polschuhe entgegengesetzter Polung beidseitig flankieren, wobei häufig ein zweiter Polschuh den ersten, umlaufend umgibt. Aufgrund des sich dadurch rennbahnartig ausbildenden, tunnelförmigen Magnetfeldes wird das Targetmaterial über dem Spalt zwischen zwei Magnetpolen, wo die Magnetfeldlinien parallel zur Targetoberfläche verlaufen, in besonderem Maße abgetragen, so dass sich in diesem Bereich ein rennbahnförmiger Sputtergraben ausbildet. Dieser wird auch als Racetrack bezeichnet und hat infolge seiner Form und Lage in Bezug auf das Substrat und dessen Transportrichtung zwei nebeneinander liegende und regelmäßig über die Substratbreite erstreckende Racetrackhälften. Der örtliche Verlauf des magnetisch geführten, in sich geschlossenen Plasmarings korreliert mit der Erosion des Targetmaterials.
Als Targets sind planare und Rohrtargets bekannt, die mit ihrer axialen Ausdehnung quer zur Transportrichtung der Substrate durch die Beschichtungsanlage angeordnet sind. Je nach Gestaltung des Targets wird von einem Rohrtarget oder planaren Target und in Verbindung mit dem Magnetsystem von einem Rohrmagnetron oder planaren Magnetron gesprochen.
Rohrtargets gestatten bekanntermaßen stabile Beschichtungsprozesse mit hoher Targetauslastung und sind insbesondere zum Beschichten von großflächigen Substraten oder zur kontinuierlichen Beschichtung geeignet. Sie umfassen eine zylinderförmige Elektrode, die um ihre Längsachse drehbar ist.
Die Targets werden als einzelne Targets (Single-Target bzw. Single-Magnetron) oder als doppelte Targets (Double-Target bzw. Doppel-Magnetron) verwendet. Als Single-Magnetron wird ein Target dann angesehen, wenn es so weit von einem benachbarten Target entfernt oder von diesem durch Blenden oder eine Trennwand getrennt ist, dass sich dessen Verteilungscharakteristik nicht mit der des benachbarten überschneiden kann.
Zum Zwecke des reaktiven Sputterns setzt sich das Prozessgas aus einem inerten Arbeitsgas, wie beispielsweise Argon oder Xenon, und einem Reaktivgas wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff zusammen, so dass sich auf dem Substrat eine Schicht in einer zumindest Teile des Reaktivgases enthaltenden Zusammensetzung niederschlägt. Dazu können dem Prozessraum Arbeits- und Reaktivgas über getrennte Gaszuführungssysteme zugeführt werden, wobei durch asymmetrische Gaszuführung von Arbeits- und Reaktivgas auch Gradientenschichten mit abgestufter Stöchiometrie innerhalb einer abgeschiedenen Schicht erzielbar sind ( EP 1 174 397 B1 ). Reaktives Sputtern hat sich unter anderem auch aufgrund der meist preisgünstigeren Targets und der häufig höheren Beschichtungsrate als deutlich kostengünstiger erwiesen.
Transparente Metalloxidschichten werden für die verschiedensten Anwendungsgebiete benötigt, entweder als dielektrische Schichten z. B. für optische Schichtsysteme oder als elektrisch leitfähige Schichten, z. B. als Flächenkontakt für Dünnschichtsolarzellen. Beispielsweise werden Schichten aus aluminiumdotiertem Zinkoxid (ZnO:Al) als Frontkontakt für CIGS-Solarzellen verwendet. Je nach Anwendung hängen die optischen und elektrischen Eigenschaften wesentlich vom Sputterverfahren ab.
Bei der Herstellung von Metalloxidschichten wird zurzeit meist das keramische Sputtern verwendet, bei welchem ein keramisches Target der abzuscheidenden Materialzusammensetzung verwendet wird und kein oder nur technologisch bedingte, geringe Anteile von Sauerstoff oder anderen Reaktivgasen dem Arbeitsgas zugeführt werden.
Mitunter kann es nützlich sein, dass zwischen Absorberschicht einer Solarzelle und Metalloxidschicht noch eine dünne isolierende Schicht meist desselben Metalloxids (i-MeO) aufgebracht wird, beispielsweise für das optische Verhalten oder zum Schutz der Absorberschicht während der keramischen Metalloxid-Abscheidung. Jedoch sind mit dieser zusätzlichen Schicht mehrere Nachteile verknüpft. Zum einen erfordert die i-MeO-Abscheidung einen zusätzlichen Prozessschritt mit separatem Target, was Anlagen-, Energie- und Material-Aufwand erhöht. Zum anderen ist das keramische Sputtern durch das isolierende Targetmaterial schwer zu beherrschen. Es ist ein RF-Sputtern oder der gepulste Betrieb erforderlich. Zudem ist der keramische Prozess durch die hohen Targetkosten und die geringere Abscheiderate sehr teuer.
Aufgabe ist es daher, eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Magnetronsputtern von transparenten Metalloxidschichten zur Verfügung zu stellen, die eine effektive und kostengünstige Abscheidung eines Schichtstapels mit isolierender und elektrisch leitfähiger Schicht eines Metalloxids gestatten, wobei das Verfahren und die Vorrichtung vereinfacht und elektrische und optische Eigenschaften der Schichten reproduzierbar eingestellt werden können.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 vorgeschlagen. Die jeweils davon abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungen dazu.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu verwendete Vorrichtung gestatten es, im Verlaufe eines Abscheidungsprozesses von einem Target transparente Metalloxidschichten des Schichtstapels abzuscheiden, die sowohl eine isolierende als auch eine leitfähige Schicht umfassen. Damit kann der Verfahrens- und Energieaufwand sowie der anlagentechnische Aufwand im Vergleich zum herkömmlichen Abscheiden in aufeinanderfolgenden Sputterstationen deutlich reduziert werden, wobei über die Prozesssteuerung und darüber hinaus über die möglichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens die optoelektrischen Eigenschaften der Schichten gut einstellbar sind. Das Substrat, auf welchem der Schichtstapel abgeschieden wird, kann bereits beschichtet oder unbeschichtet sein.
Zur Abgrenzung soll als isolierend eine transparente Metalloxidschicht bezeichnet sein die einen spezifischen Widerstand von 20000 μOhmcm hat und als leitfähig eine Schicht mit einem spezifischen Widerstand von < 20000 μOhmcm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für metallische als auch für keramische Targets anwendbar, wobei das Targetmaterial die untere Grenze des spezifischen Widerstands der Schichten bestimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und er dazu verwendbaren Vorrichtung können die Anzahl und die Schichtdicke der Einzelschichten und deren Leitfähigkeit variiert werden. Das schließt auch ein, dass der Schichtstapel aus einer alternierenden Folge von hoch- und niederohmigen Schichten abgeschieden wird, wenn mehrere der erfindungsgemäßen Targetstationen nacheinander durchfahren werden. Dabei können die einzelnen Stationen gleiche oder voneinander abweichende Targetmaterialien umfassen.
Die Erfindung schließt ebenso ein, dass lediglich eine Einzelschicht abgeschieden wird. Je nach Lage des Beschichtungsbereichs und/oder Einstellung der Plasmastöchiometrie kann die Leitfähigkeit einer Einzelschicht gezielt eingestellt werden. Die Verteilung des spezifischen Widerstandes des abgeschiedenen Schichtmaterials über die Beschichtungsposition in der Vakuumkammer ist für eine gegebene Targetkonfiguration in Abhängigkeit von deren Ansteuerung, von den Sputtermaterialien und dem Reaktivgas sowie dessen Verteilung in der Vakuumkammer durch Versuche zu ermitteln.
Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Abscheidung der Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit durch die unterschiedliche Zufuhr von Reaktivgas und/oder Arbeitsgas zu beiden Seiten des Targets realisiert. Erfindungsgemäß erfolgt sie derart, dass in den beiden Racetrackhälften des Racetracks des Targets Plasmazonen gebildet werden, die mit unterschiedlichen Arbeitspunkten des reaktiven Sputterprozesses betrieben werden. Die Nutzung unterschiedlicher Arbeitspunkte über den beiden Racetrackhälften hat zur Folge, dass in den beiden Plasmazonen, von denen jeweils eine über jeder Racetrackhälfte liegt, unterschiedliche Stöchiometrien eingestellt sind, die sich in der darunter abgeschiedenen Schicht widerspiegeln.
Infolge dessen können mit einer Racetrackhälfte stark oxydische und damit isolierende Schichten und mit der anderen Racetrackhälfte wie gewohnt leitfähige Schichten abgeschieden werden, Letzteres regelmäßig im Übergangsbereich der einen Sputterprozess charakterisierenden Hysteresekurve.
Die erforderliche Prozessgaszusammensetzung kann über die Reaktivgaszufuhr oder die Arbeitsgaszufuhr oder beide eingestellt werden. Gemäß verschiedener Ausführungsformen der dazu verwendbaren Vorrichtung kann dies mittels der Steuerung der Gasflüsse von Reaktivgas- und/oder Arbeitsgas oder durch eine entsprechende Anordnung der Gaszuführungssysteme relativ zum Target oder durch eine Kombination beider Maßnahmen realisiert werden. Beides schließt ein, dass die Einstellung der Plasmastöchiometrie lediglich für eine oder für beide Plasmazonen ein- oder beidseitig des Targets erfolgen kann.
Wird beispielsweise ein keramisches Target eines Metalloxids verwendet, kann eine Racetrackhälfte mit einem sehr hohen Reaktivgasanteil gesputtert werden und die andere Raceträckhälfte mit deutlich geringerem oder ohne zusätzliche Reaktivgaszufuhr.
Ein derart betriebenes Target ist durch Einstellung der Racetrackstöchiometrie sowohl in jenem Modus verwendbar, in welchem isolierende und leitfähige Schichten abgeschieden werden, als auch im üblichen Modus zur Abscheidung homogener Metalloxidschichten.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens und der dafür geeigneten Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Racetrackstöchiometrien durch die Messung des optischen Emissionspektrums des Plasmas in beiden Plasmazonen überwacht und gesteuert wird. Dazu werden die Intensitäten von gemessenen signifikanten Emissionslinien über das Verhältnis des Reaktiv- und/oder Arbeitsgasstromes beider Seiten eingestellt.
Eine andere Möglichkeit ist darin zu sehen, dass das optische Emissionspektrum des Plasmas in beiden Plasmazonen gemessen wird und das Verhältnis von zwei Intensitäten von signifikanten Emissionslinien über das Verhältnis des Reaktiv- und/oder Arbeitsgasstromes beider Seiten eingestellt wird. Insbesondere wird dabei das Verhältnis der Intensitäten zweier signifikanter Spektrallinien auf der einen Seite mit dem entsprechenden Verhältnis auf der anderen Seite verglichen und eingestellt.
Es hat sich als geeignet herausgestellt, das Verhältnis aus einer Linie des Reaktivgases und einer Line des Prozessgases oder aus einer Linie des Targetmateriales und des Reaktivgases zu bilden und dieses Verhältnis als Regelgröße einzusetzen.
Zur Ausführung dieser Steuerung sind Mittel zum getrennten Messen des Emissionsspektums der beiden sich im Plasma unter dem Rohrmagnetron ausbildenden Plasmazonen angeordnet, die mit einer das Verhältnis der Gasflüsse in den Gaszuführungssystemen steuernden Steuereinrichtung verbunden sind. Diese Gaszuführungssysteme können derart angeordnet sein, dass bereits deren Anordnung die unterschiedlichen Stöchiometrien oder die Einstellung der Stöchimetrien mittels der Gasflusssteuerung unterstützt. So können ein oder zwei Reaktivgaskanäle möglichst nahe am Target angeordnet werden. Es können auch zwei Reaktivgaskanäle getrennt voneinander angesteuert werden. Damit wird erreicht, dass in der Kammer auf beiden Seiten des Targets unterschiedliche Reaktivgaskonzentrationen eingestellt werden, um somit die gewünschte unterschiedliche Plasmazonenausbildung über dem Racetrack zu realisieren.
Vorzugsweise sind die Gaskanäle der Gaszuführungssysteme, insbesondere die Reaktivgaskanäle, symmetrisch zum Target angeordnet.
Die lokal differenzierte Einstellung des Prozessgases kann unterstützt werden, wenn das Arbeitsgas auf der dem Substrat abgewandten Seite des Targets, d. h. vom Substrat aus gesehen hinter dem Target, angeordnet ist. Dort sind geeignete Vorkehrungen zu treffen, dass das Gas nicht düsenförmig austritt sondern aus den Leitungen diffundiert. Die Stöchiometrie der beiden Plasmazonenteile wird dabei anhand wenigstens zweier Emissionslinien aus dem Plasma, vorzugsweise der des Targetmaterials und der des Reaktivgases überprüft und abgeglichen. Dazu werden die Flussverhältnisse an dem vorderen und hinteren Reaktivgaskanal so lange angepasst, bis das gewünschte Linienverhältnis erreicht ist.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Abscheidung der unterschiedlich leitfähigen Metalloxide durch die Gestaltung der Kammergeometrie, d. h. die Lage des Targets bzw. Magnetrons und die Lage von Trennwänden oder Blenden oder beidem. Die Anordnung von Target und Blenden bzw. Trennwänden relativ zueinander definiert einen solchen Beschichtungsbereich in Bezug auf die Durchlaufrichtung, dass die in einem Durchlauf eines Substrats abgeschiedenen Schichten die oben beschriebenen unterschiedlichen Leitfähigkeiten aufweisen. Hierfür ist auch von Nutzen, dass mit dem reaktiven Sputtern, im Vergleich zum keramischen Sputtern, kostengünstiger abgeschieden werden kann und höhere Beschichtungsraten erzielbar sind, so dass auch die erforderlichen Schichtdicken bei den üblichen Kammergeometrien erzielbar sind.
Als Beschichtungsbereich soll dabei der Bereich auf einer Substratoberfläche angesehen werden, von welchem während des Sputterns eine Sichtverbindung auf den Bereich des Targets besteht, von welchem Material gesputtert wird, so dass sich in diesem Bereich der Substratoberfläche gesputtertes Material aufgrund der prozessspezifischen und beeinflussbaren Verteilungscharakteristik und nicht überwiegend Streudampf niederschlägt.
Die Größe des Beschichtungsbereichs kann durch feste und variierbare Trennwände oder Blenden festgelegt werden. Als feste Trennwände kommen die äußeren Kammerwände oder innerhalb der Kammer fest angeordnete Trennwände zur Unterteilung einer Vakuumgehäusekammer in mehrere Kompartments, auch als Abteilungen oder Sektionen bezeichnet, in Betracht. In diesem Fall kann der Abstand zwischen einem Target und einer Trennwand durch die Position des Targets in der Vakuumkammer festgelegt werden. Üblicherweise sind in einer Vakuumkammer mehrere Montagepositionen für Targets vorgesehen. Die Unterteilung einer Vakuumgehäusekammer kann auch durch variierbare Trennwände erfolgen, so dass hierbei die Länge des Kompartments und damit des Beschichtungsbereichs in größerem Umfang variierbar sein kann. Ergänzend oder alternativ sind auch Blenden, die zur Abschirmung von Substratabschnitten oder Kammereinbauten vor unerwünschter Beschichtung verwendet werden, zur Festlegung des Beschichtungsbereiches geeignet.
Die Erfindung schließt ebenso ein, dass bei einem sehr schmalen Beschichtungsbereich lediglich eine Einzelschicht abgeschieden wird. Liegt der Beschichtungsbereich unter dem Racetrack, wird eine leitfähige Schicht abgeschieden. Liegt er vor oder hinter dem Magnetron, ist die Leitfähigkeit verringert, wobei eine isolierende Schicht gemäß obiger Definition erst bei einem ausreichenden Abstand zum Magnetron erzielbar ist.
Ist die Verteilungscharakteristik bekannt, können durch gezielt angeordnete Blenden bestimmte Widerstandswerte sowohl einbezogen als auch ausgeblendet werden.
Dementsprechend kann in einer Ausgestaltung der Erfindung der spezifische Widerstand einer Schicht des Schichtstapels durch die Entfernung besagter Blenden oder Trennwände zum Target variiert und damit gezielt eingestellt werden, Der Beschichtungsbereich eines Targets, in welchem eine isolierende Schicht abgeschieden wird, kann auch dadurch ausgeblendet sein, wenn dem Target entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens und der dazu verwendeten Vorrichtung benachbart zu diesem ein weiteres Target zugeordnet ist, z. B. bei einem Doppeltarget, so dass lediglich vom Beschichtungsbereich des in Durchlaufrichtung ersten Targets eine isolierende Schicht abgeschieden wird. Auf diese Weise kann z. B. die Schichtdicke der leitfähigen Schicht erhöht werden. Mit einem vergleichbaren Ergebnis können auch Targets verwendet werden, die in benachbarten Kompartments derart nah zueinander und zu einer die Kompartments abteilenden Trennwand liegen, dass weder hinter dem ersten nach vor dem zweiten Target hochohmige Schichten abgeschieden werden. Sofern durch die in den Kompartments einnehmbaren Targetpositionen erforderlich, können auch zwischen den beiden Targets angeordnete Blenden diesen Effekt verstärken. Anstelle von zwei können auch mehrere unmittelbar aufeinanderfolgende oder mit Blenden für den Zwischenraum versehenen Targets verwendet werden, sofern es die Dicke der leitfähigen Schicht erfordert.
Der Begriff des Durchlaufverfahrens soll auch einschließen, dass ein Substrat in einer Position angehalten wird oder eine Position mehrfach durchfährt. So kann das Substrat in zumindest einer Position eingangs und/oder ausgangs des Beschichtungsbereichs zur Abscheidung einer isolierenden Metalloxidschicht und unter dem Target zur Abscheidung einer leitfähigen Metalloxidschicht angehalten werden. Es ist ebenso möglich, eine Schicht im Schichtstapel mit einer höheren Schichtdicke abzuscheiden.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind grundsätzlich sowohl für planare als auch Rohrtargets geeignet. Allerdings ergeben sich für Rohrtargets neben deren bekannten Vorteile weitere Ausgestaltungen für Verfahren und Vorrichtung. So kann entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung ergänzend zur Geometrie einer Targetstation auch deren Verteilungscharakteristik und Energiebilanz der gesputterten Teilchen durch das Magnetsystems eines Rohrmagentrons beeinflusst werden. So hat sich herausgestellt, dass mit einem, im Vergleich zu den sonst üblichen Magnetsystemen, vergrößerten Öffnungswinkel, der größer 30°, bevorzugt größer 45°, weiter bevorzugt größer 55° aber nicht größer als 90° ist, ein deutlich steilerer Übergang von einer niederohmigen zu einer hochohmigen Schicht erzeugt werden kann.
Darüber hinaus ist es entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung möglich die Schichteigenschaften auch dadurch zu variieren, dass das Magnetsystem eines Rohrtargets gegenüber dessen senkrechter Ausrichtung zum Substrat mit einem Winkel im Bereich bis 60° gedreht ist. Damit kann z. B. die Leitfähigkeit insbesondere der unmittelbar unter dem Target abgeschiedenen Schicht beeinflusst werden sowie die Verteilung der Abscheiderate über den Beschichtungsbereich und damit die Schichtdicke, z. B. auch der isolierenden Schicht auf der Seite zu der das Magnetsystem hingedreht ist. Zum anderen können auch Materialverluste dadurch vermindert werden, dass die unerwünschte Beschichtung der den Beschichtungsbereich auf der Seite begrenzenden Blenden und/oder Trennwände vermindert wird, von welcher das Magnetsystem weggedreht ist.
Die Schichtdicken der Einzelschichten des Schichtstapels können zudem, und zwar für jede Targetform, wie oben beschrieben durch die Kammergeometrie, die Steuerung der Reaktivgas- bzw. Arbeitsgasflüsse für die Plasmazonen und den Durchlauf durch die Kammer variiert werden, so dass es möglich ist, gezielt ein Schichtdickenverhältnis von isolierender zu leitfähiger Schicht einzustellen. Für verschiedene Anwendungen hat sich ein Verhältnis von kleiner 0,15 als vorteilhaft erwiesen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschichtungskompartments in einer Vakuumkammer;
2 Verlauf des spezifischen elektrisch Widerstandes im Beschichtungsbereich nach 1;
3 Rohrmagnetron gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
4 Verlauf des spezifischen elektrischen Widerstandes im Beschichtungsbereich bei Verwendung eines Rohrmagnetrons der 3; und
5 Verlauf des spezifischen elektrisch Widerstandes im Beschichtungsbereich bei mittig in der Vakuumkammer angeordnetem Rohrmagnetron mit steuerbarem Reaktivgaszufluss.
In 1 ist schematisch und ohne Anspruch auf Darstellung aller Komponenten und deren Abmessungen ein Beschichtungskompartment 1 dargestellt, welches in einer Vakuumkammer 3 einer Sputter-Beschichtungsanlage durch zwei Trennwände 9 abgeteilt ist. Das Beschichtungskompartment 1 weist mehrere Gaszuführungssysteme 8 auf, mit deren Hilfe die notwendigen Gase in das Beschichtungskompartment eingeleitet werden, um das Prozessgas innerhalb des Kompartments 1 einzustellen. Für die reaktive Beschichtung umfasst das Prozessgas ein inertes Arbeitsgas und zumindest ein Reaktivgas.
Innerhalb des Beschichtungskompartments 1 ist ein Single-Rohrtarget 10 angeordnet, das als Kathode einer Elektrodenanordnung zur Plasmaerzeugung dient. Zur Elektrodenanordnung gehört bekanntermaßen eine weitere Elektrode, die der besseren Übersicht wegen ebenso wenig dargestellt ist, wie elektrische oder Kühlmittelsanschlüsse der Elektroden. Das Rohrtarget 10 ist als zylindrisches, um seine Längsachse 11 drehbares Trägerrohr 13 ausgebildet, auf dessen Mantelfläche das Targetmaterial 15 schichtförmig aufgebracht ist.
Das Rohrtarget 10 ist außermittig, zum Kompartmentausgang hin verschoben, im Beschichtungskompartment 1 angeordnet und erstreckt sich im Beschichtungskompartment 1 quer zur Substrattransportrichtung 6. In der durch den Pfeil gekennzeichneten Substrattransportrichtung 6, welche der Durchlaufrichtung im Durchlaufverfahren entspricht, wird ein Substrat 4 mittels einer geeigneten Transportvorrichtung 7 durch das Beschichtungskompartment 1 transportiert und während dessen beschichtet. Danach durchläuft es die weiteren Kompartments der Beschichtungsanlage. In seiner Längsausdehnung senkrecht zur Zeichenebene entspricht das Rohrtarget 10 ungefähr der Substratbreite oder erstreckt sich darüber hinaus.
Im Inneren jedes der Rohrtargets 10 ist ein Magnetsystem 17 aus einem zweipoligen Permanentmagneten angeordnet, das aufgrund des äußeren Polschuhs 18, der ringförmig um einen zentralen Polschuh 19 verläuft, im Querschnitt eine Gestalt mit drei Polen aufweisen. Die Polung kann sowohl Nord-Süd-Nord aber ebenso Süd-Nord-Süd sein. Das Magnetsystzem 17 ist relativ zum Rohrtarget 10 um dessen Längsachse drehbar, so dass es bei der Drehung des Trägerrohres 13 bezogen auf die Umgebung stationär bleibt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 4 durch keine Blenden gegenüber dem Rohrtarget 10 abgeschirmt, so dass der Beschichtungsbereich 2 nur durch die das Beschichtungskompartment 1 abtrennenden Trennwände 9 begrenzt wird. Ungeachtet dessen können im Kompartment Blenden vorgesehen sein, die bestimmte Einbauten vor Beschichtung schützen. Soweit sie den Beschichtungsbereich nicht begrenzen, sollen sie in der Darstellung dieses Ausführungsbeispiels unberücksichtigt bleiben.
Zur Beschichtung, die mit der beschriebenen Vorrichtung reaktiv erfolgen kann, wird ein Substrat 4 in der Substratebene 5 liegend durch das Beschichtungskompartment hindurch und dabei an dem Rohrttarget 10 vorbei transportiert. Eingangsseitig und ausgangsseitig weist die Kammerwandung 17 der Beschichtungskammer jeweils einen Durchgang zum Ein- und Ausfahren des Substrats 4 auf.
Während der Beschichtung wird ein Plasma dort gezündet, wo die Magnetfeldlinien parallel zur Targetoberfläche verkaufen, folglich mittig zwischen zwei Magnetpolen jedes Magnetsystems 17. In diesem Bereich bildet sich ein Racetrack 16 mit den zwei in der 1 sichtbaren, parallel zur Längsachse 11 verlaufenden Racetrackhälften aus, in welchen das Targetmaterial 15 von der äußeren Oberfläche des rotierenden Rohrtargets 10 abgesputtert wird. Infolge der Rotation wird das Targetmaterial 15 gleichmäßig von der gesamten Oberfläche der Rohrtarget 10 abgetragen. Das gesputterte Targetmaterial 15 breitet sich in Richtung Substrat 4 aus, reagiert mit dem in die Beschichtungskompartment 1 eingelassenen Reaktivgas und wird als das Reaktivgas enthaltende Verbindung auf dem Substrat 4 abgeschieden.
Das Magnetsystem 17 ist im Ausführungsbeispiel mit seinem zentralen Polschuh 19 senkrecht in Richtung Substratebene 5 gerichtet. Zudem ist der Beschichtungsbereich 2 aufgrund der außermittigen Anordnung des Rohrtargets 10 und fehlender den Beschichtungsbereich begrenzender Blenden, in Substrattransportrichtung 6 betrachtet, vor dem Rohrtarget 10 deutlich länger als dahinter. Diese Vorrichtungsmerkmale führen dazu, dass auf einem Substrat 4, das in der 1 von rechts nach links durch das Beschichtungskompartent 1 transportiert und dabei mit einem transparenten Metalloxid des metallischen Targetmaterials 15 beschichtet werden soll, sich in einem kontinuierlichen Durchlauf zunächst eine isolierende Metalloxidschicht abscheidet und darüber eine elektrisch leitfähige Metalloxidschicht. Letztere wird im Bereich unterhalb des Rohrtargets 10 auf der zuvor bereits abgeschiedenen isolierenden Metalloxidschicht abgeschieden.
In 2 ist die Verteilung des spezifischen Widerstandes ρ für ein stationäre, d. h. mit unbewegtem Substrat erfolgte Beschichtung in Abhängigkeit von der Position in Substrattransportrichtung 6 auf der Substratoberfläche dargestellt und zwar für die Ausführungsform nach 1. Aufgrund der Ausdehnung des Rohrtargets 10 über die gesamte Breite des Substrats 4 ist eine Abhängigkeit von der Position senkrecht zur Substrattransportrichtung 6 hier nicht von Belang. Die Abscheidung erfolgte reaktiv unter Anwesenheit von Sauerstoff im Prozessgas von einem metallischen aluminiumdotierten Zinktarget. Die Position wird in 2 anhand des über der Verteilung schematisch dargestellten Beschichtungsbereichs 2 mit der Position des Rohrtargets 10 verdeutlicht.
Dem Sprung im Verlauf des spezifischen Widerstandes ρ bei etwa mittiger Position zwischen Target und rechter Trennwand 9 ist zu entnehmen, dass bei einem Durchlauf bis etwa dahin eine isolierende Zinkaluminiumoxidschicht (iZnO:Al) abgeschieden würde und ab dort darüber erst ein leitfähige Zinkaluminiumoxidschicht (ZnO:Al).
Alternativ kann die Begrenzung des Beschichtungsbereichs durch eine oder beide der dargestellten Trennwände 9 auch durch eine oder zwei Blenden vorgenommen werden.
Weiter alternativ kann das Rohrtarget 10 in 1 z. B. auch entgegen dem Uhrzeigersinn um einige Grad in Richtung Kompartmentmitte gedreht sein (nicht dargestellt). Dies hat Einfluss insbesondere auf die Schichtdicken der beiden Einzelschichten, die Lage des Sprungs im spezifischen Widerstand ρ und den spezifischen Widerstand ρ der leitfähigen Schicht.
Eine Ausführungsform eines Rohrtargets 10 ist in 3 im Schnitt dargestellt. Es umfasst ein Trägerrohr 13, dessen Mantelfläche mit dem zu sputternden Targetmaterial 15, im Ausführungsbeispiel metallisches aluminiumdotiertes Zink, belegt ist. Im Inneren dieses Trägerrohrs 13 ist das Magnetsystem 17 angeordnet, das sich parallel zur Längsachse 11 des Trägerrohrs 13 (senkrecht zur Zeichnungsebene) über dessen gesamte Länge erstreckt. Das Trägerrohr 13 ist drehbar gelagert, dargestellt durch einen Pfeil um die Längsachse 11 des Trägerrohrs 13. Das Magnetsystem 17 ist dem Trägerrohr 13 gegenüber beweglich montiert, so dass das Magnetsystem 17 seine Lage während der Drehung des Trägerrohrs 13 relativ zur Umgebung des Trägerrohrs 13 beibehält.
Das Magnetsystem 17 besteht aus einem zentralen Polschuh 19, der im Ausführungsbeispiel als Nordpol ausgebildet ist, und einem äußeren Polschuh 18, dem Südpol des Magnetsystems 17. Die Polung kann auch umgekehrt, d. h. N-S-N, ausgeführt sein. Der äußere Polschuh 18 verläuft zunächst parallel zum zentralen Polschuh 19, umrundet dessen ersten Ende (nicht dargestellt), verläuft in entgegengesetzter Richtung erneut parallel zum zentralen Polschuh 19 und schließt sich zu einem Ring, indem er auch das entgegengesetzte Ende des zentralen Polschuhs 19 umrundet. In der Schnittdarstellung der 3 weist damit das Magnetsystem 17 einen einem W-ähnlichen Querschnitt auf.
Die, im Querschnitt betrachtet, beidseitig des zentralen Polschuhs 19 liegenden Schenkel des äußeren Polschuhs 18 sind derart angeordnet, dass sie bezogen auf die Längsachse 11 des Trägerrohrs 13 einen relativ weiten Öffnungswinkel α von 60° aufweisen. Der Öffnungswinkel des Magnetsystems 17 von 1 ist der üblicherweise verwendete Öffnungswinkel von ca. 25°. Die Magnetsysteme sind in beiden beiden Figuren lediglich schematisch dargestellt und widerspiegeln die tatsächlichen Öffnungswinkel nicht. Die beiden parallel zu und auf der Oberfläche des Targetmaterials 15 zwischen den Polschuhen 18, 19 verlaufenden Abschnitte des ringförmig ausbildenden Racetracks 16 sind als gestrichelte Linien dargestellt. Der Racetrack 16 ist aufgrund des relativ großen Öffnungswinkels α über einen größeren Abschnitt des Umgangs des Trägerrohrs 13 gestreckt.
Der Einfluss eines solchen Rohrtargets 10 mit erweitertem Öffnungswinkel α ist in 4 dargestellt. 4 unterscheidet sich vom Aufbau des Beschichtungskompartments 1 gemäß 1 und 2 lediglich dadurch, dass der Beginn des Beschichtungsbereichs 2 anstelle durch eine Trennwand 9 durch eine Blende 20 begrenzt wird. Wie 4 im Vergleich zu 2 zu entnehmen ist, bewirkt der erweiterte Öffnungswinkel α eine wesentliche Erhöhung des spezifischen Widerstands ρ, erkennbar an den Skalenwerten, im Bereich der Abscheidung der iZnO:Al-Schicht sowie eine Verschiebung des Überganges beider Schichten in Richtung des Rohrtargets 10.
5 stellt eine Ausgestaltung der Erfindung dar, in der Plasmastöchiometrie in den beiden Plasmazonen 21 mittels der Steuerung der Gasflüsse von Reaktivgas und Arbeitsgas eingestellt wird, verknüpft mit der Verteilung des spezifischen Widerstandes ρ für ein in einer Vakuumkammer beschichtetes Substrat in Abhängigkeit von der Position in Substrattransportrichtung 6. Die Abmessungen der Vakuumkammer und die Lage des Rohrtargets 10 in der Kammer sind durch die Trennwände 9 schematisch dargestellt. Demzufolge ist in dieser Ausführungsform das Rohrtarget 10 mittig in der Kammer angeordnet.
Um zwei Plamazonen 21 mit einstellbaren unterschiedlichen Plasmastöchiometrien zu erzeugen sind die Gaszuführungssysteme 8 derart ausgeführt, dass ein Arbeitsgaskanal für die Zuführung von Argon (Ar) über dem Rohrtarget 10 und zwei Reaktivgaskanäle für die Zuführung von Sauerstoff (O₂) parallel zur Längsachse 11 des Rohrtargets 10 und nahe zum Rohrtarget 10 jeweils in Substrattranspsortrichtung 6 betrachtet davor und dahinter positioniert. Es sind geeignete Vorkehrungen zu treffen, dass das Gas dort nicht düsenförmig austritt, sondern aus den Kanälen heraus diffundiert.
Mittels zweier Kollimatoren 22, die die Mittel zum getrennten Messen des Emissionsspektums darstellen, wird die Stöchiometrie anhand wenigstens zweier Linien (Targetmaterial und Reaktivgas) überprüft und abgeglichen.
Es sind Stelleinrichtungen 23 angeordnet, die den Fluss in den Reaktivgaskanälen getrennt voneinander steuern. Die Kollimatoren 22, die das Emissionsspektrum der beiden sich im Plasma unter dem Rohrtarget 10 ausbildenden Plasmazonen 22 messen, sind mit einer das Verhältnis des Reaktivflusses in den beiden Reaktivgaskanälen steuernden Steuereinrichtung 24 verbunden. Damit werden die Flussverhältnisse an dem vorderen und hinteren Reaktivgaskanal so lange angepasst, bis ein gewünschtes Linienverhältnis festgestellt wird.
Die weiter in 5 dargestellte Verteilung des spezifischen Widerstandes ρ relativ zur Kammerposition zeigt, dass auch mittels der Steuerung des Prozessgasflusses und der damit erzielbaren getrennten Einstellung des Arbeitspunktes für beide Plasmazonen, die durch die Steuerung des Arbeitsgasflusses unterstützt werden kann, vergleichbare Verteilungen des spezifischen Widerstandes in einer Metalloxidschicht erzielbar sind, wie oben zu 2 und 4 beschrieben. Damit wird bei einem hohen Reaktivgasfluss vor dem Rohrtarget 10 und einem deutlich geringeren dahinter bei einer Durchfahrt eines Substrats (nicht dargestellt) in Substrattransportrichtung 6 durch die Vakuumkammer zunächst ein isolierende Schicht und danach über dieser eine leitfähige Schicht abgeschieden. Das entspricht bei der Verwendung von aluminiumdotiertem Zink als Targetmaterial 15 und Sauerstoff als Reaktivgas einem Schichtstapel von iZnO mit darüber liegendem ZnO:Al. Aufgrund dieser Verteilungscharakteristik mit einem hohen Anteil bei geringem Widerstand ist bei einem gleichmäßigen Durchlauf eines Substrats ein Schichtdickenverhältnis von isolierender zu leitfähiger Schicht von kleiner 0,15 zu erzielen.
Bezugszeichenliste

1: Beschichtungskompartment
2: Beschichtungsbereich
3: Vakuumkammer
4: Substrat
5: Substratebene
6: Substrattransportrichtung
7: Transportvorrichtung
8: Gaszuführungssystem
9: Trennwand
10: Target, Rohrtarget
11: Längsachse
13: Trägerrohr
15: Targetmaterial
16: Racetrack
17: Magnetsystem
18: äußerer Polschuh
19: zentraler Polschuh
20: Blende
21: Plasmazone
22: Kollimator
23: Stelleinrichtung
24: Steuereinrichtung
α: Öffnungswinkel
ρ: spezifischer Widerstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1174397 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide mittels Magnetronsputtern auf einem Substrat (4) im Durchlaufverfahren, indem das metallische oder keramische Targetmaterial (15) von einem Target (10) reaktiv unter Zufuhr eines Reaktivgases zum Arbeitsgas gesputtert und als Metalloxid in einem Beschichtungsbereich (2) auf einem Substrat (4) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Transport des Substrats (4) durch den Beschichtungsbereich (2) des Targets (10) hindurch mindestens eine isolierende Metalloxidschicht und mindestens eine leitfähige Metalloxidschicht desselben Metalloxids abgeschieden wird.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Reaktivgas und/oder Arbeitsgas derart erfolgt, dass in den beiden Racetrackhälften des Racetracks (16) des Targets (10) Plasmazonen (21) gebildet werden, die mit unterschiedlichen Arbeitspunkten des reaktiven Sputterprozesses betrieben werden.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Emissionsspektrum des Plasmas in beiden Plasmazonen (21) gemessen wird und die Intensitäten oder das Verhältnis von zwei Intensitäten von signifikanten Emissionslinien über das Verhältnis des Reaktivgasstromes beider Seiten eingestellt werden.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetronsputtern in einem solchen Beschichtungsbereich (2) erfolgt, welcher vor oder hinter dem Target (10) oder beidseitig durch entfernt angeordnete Blenden (20) und/oder Trennwände (9) so weit ausgedehnt ist, dass eingangs und/oder ausgangs des Beschichtungsbereichs (2) eine isolierende Metalloxidschicht und unter dem Target (10) eine leitfähige Metalloxidschicht desselben Metalloxids abgeschieden wird.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand (ρ) der isolierenden Metalloxidschicht durch die Entfernung besagter Blenden (20) oder Trennwände (9) zum Target (10) eingestellt wird.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Schichtstapels von mehreren Targets (10) erfolgt, wobei zumindest vom, in Durchlaufrichtung betrachtet, zweiten Target (10) und zumindest vor diesem Target (10) keine isolierende Metalloxidschicht abgeschieden wird, indem ein dafür verwendbarer Teilbereich des Beschichtungsbereichs (2) durch Blenden (20) oder eine Trennwand (9) oder einen geringen Abstand zu dem in dieser Richtung benachbarten Target (10) abgeschirmt wird.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsputtern von einem Rohrtarget (10) mit einem Magnetsystem (17) erfolgt, dessen äußerer Polschuhe (18) einen Öffnungswinkel (α) von größer 30°, bevorzugt von größer 45°, weiter bevorzugt größer 55°, aber nicht mehr als 90° aufweisen.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung von zumindest einem Rohrtarget (10) erfolgt und die Schichtdicke und/oder der spezifische Widerstand (ρ) der Schichten des Schichtstapels variiert wird, indem das Magnetsystem (17) des Rohrtargets (10) gegenüber dessen senkrechter Ausrichtung zum Substrat (4) mit einem Winkel im Bereich bis 60° gedreht ist.
Verfahren zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Metalloxidschicht und eine leitfähige Metalloxidschicht desselben Metalloxids von einem Target (10) abgeschieden werden, deren Schichtdicken ein Verhältnis von isolierender zu leitfähiger Schicht von kleiner 0,15 haben.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide mittels reaktivem Magnetronsputtern auf einem Substrat (4) im Durchlaufverfahren, wobei in einer Vakuumkammer (3) zumindest ein Target (10) mit einem metallischen oder keramischen Targetmaterial (15) über oder unter einer Substratebene (5), ein- oder beidseitig des Targets (10) angeordnete Blenden (20) und/oder Trennwände (9) sowie Gaszuführungssysteme (8) für ein Arbeitsgas und für ein Reaktivgas angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Reaktivgas und/oder Arbeitsgas derart ausführbar ist, dass beidseits des Targets (10) Plasmazonen (21) ausbildbar sind, die unterschiedliche Stöchiometrien aufweisen.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (24) und Stelleinrichtungen (23) zur Steuerung des Reaktivgas- und/oder Arbeitsgasflusses angeordnet sind.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Gaszuführungssysteme (8) für Arbeitsgas und für Reaktivgas relativ zum Target (10) derart angeordnet sind, dass beidseits des Targets (10) Plasmazonen (21) mit unterschiedlichen Stöchiometrien ausbildbar sind.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (22) zum getrennten Messen des Emissionsspektrums der Plasmazonen angeordnet sind, die mit einer das Verhältnis der Reaktivgas- und/oder Arbeitsgaskonzentrationen beidseits des Targets (10) steuernden Steuereinrichtung (24) verbunden sind.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (10) und zumindest eine Blende (20) oder Trennwand (9) in der Vakuumkammer (3) derart angeordnet sind, dass ein Schichtstapel mit einer isolierende Metalloxidschicht und einer leitfähigen Metalloxidschicht desselben Metalloxids nach einem der vorstehenden Ansprüche abscheidbar ist.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zumindest einer Blende (20) oder Trennwand (9) zum Target (10) variierbar und/oder besagte Blende (20) oder Trennwand (9) aus der Vakuumkammer (3) entnehmbar ist.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Doppeltarget angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Rohrtarget (10) angeordnet ist, welches eine Magnetsystem (15) umfasst, dessen äußere Polschuhe (18) einen Öffnungswinkel (α) von größer 30°, bevorzugt von größer 45°, weiter bevorzugt größer 55°, aber nicht mehr als 90° aufweisen.
Vorrichtung zur Abscheidung eines Schichtstapels transparenter Metalloxide nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Rohrtarget (10) angeordnet ist, dessen Magnetsystem (15) gegenüber seiner senkrechter Ausrichtung zur Substratebene (5) mit einem Winkel im Bereich bis 60° gedreht ist.