WO2013127621A1

WO2013127621A1 - Method and device for the reactive magnetron sputtering of a transparent metal oxide layer

Info

Publication number: WO2013127621A1
Application number: PCT/EP2013/052742
Authority: WO
Inventors: Volker Linss
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2013-09-06
Also published as: TW201335398A; DE102012203152A1

Abstract

The invention relates to a method and to a device usable for said method for the reactive magnetron sputtering of a transparent metal oxide layer on a coated or uncoated substrate (21), wherein the target material 2 is sputtered by a pipe magnetron 1 that comprises a magnet system 5 having a central pole shoe 7 of a first polarity and a respective outer pole shoe 9 of opposite polarity on each side of the central pole shoe 7 under supply of a reactive gas to the working gas and is separated as a metal oxide layer on the substrate 21. In order to further improve the visual and electrical layer properties, including in the case of reactive sputtering, the sputtering occurs from a single pipe magnetron, the outer pole shoe 9 of said pipe magnetron having an opening angle α of greater than 60°, preferably greater than 90°, more preferably greater than 110°, when viewed in the cross-section and a substrate-target distance H of ≥ 100 mm, preferably ≥ 120 mm being adjusted.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum reaktiven Magnetronsputtern einer transparenten Metalloxidschicht Method and apparatus for reactive magnetron sputtering a transparent metal oxide layer

Die Erfindung betrifft allgemein das reaktive The invention generally relates to the reactive

Magnetronsputtern zur Abscheidung einer transparenten Magnetron sputtering for depositing a transparent

Metalloxidschicht auf einem Substrat. Sie betrifft Metal oxide layer on a substrate. It concerns

insbesondere Verfahren und Vorrichtung zum Abscheidung einer TCO-Schicht (Transparent Conductive Oxid) . In particular, a method and apparatus for depositing a TCO layer (Transparent Conductive Oxide).

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 einer Targetoberfläche 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 In magnetron sputtering, a plasma is ignited under vacuum in a suitable process gas between a substrate to be coated and a magnetron, a target connected to an electrode and a magnet system, whose positive charge carriers ablate the upper layers of a target surface by the sputtering effect. Metals can be sputtered with or without the presence of reactive gas and in the latter case e.g. as oxide or nitride on one of the Abtragsoberfläche of the target opposite

Substrat abgeschieden werden. In vergleichbarer Weise ist es möglich, auch andere Materialverbindungen als Targetmaterial einzusetzen und zu sputtern. Substrate are deposited. In a similar way, it is possible to use and sputter other material compounds as target material.

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 Magnet^¬ ronsputtern eingesetztes Magnetsystem meist aus einem zentralen Polschuh erster Polung den Polschuhe To support the plasma formation as well as the acceleration of the ions on the target surface, a magnet system with juxtaposed magnets of locally alternating polarity is arranged on the side of the target facing away from the plasma. It is known that there is one that employed for magnetic ^¬ ronsputtern magnet system usually consists of a central pole piece first polarity to the pole pieces

entgegengesetzter Polung beidseitig flankieren, regelmäßig dadurch, dass ein zweiter Polschuh den ersten, Flanking opposite polarity on both sides, regularly characterized in that a second pole piece the first,

rennbahnförmig umgibt. Aufgrund des sich als Ring 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 in sich geschlossener, rennbahnförmiger Sputtergraben ausbildet. Dieser wird auch als Racetrack bezeichnet. Der örtliche Verlauf des magnetisch geführten, in sich surrounds race track. Due to the form of a ring, tunnel-shaped magnetic field, the target material over the gap between two magnetic poles, where the magnetic field lines are parallel to the target surface, removed to a particular extent, so that in this area a self-contained, racetrack-shaped sputter trench forms. This is also called Racetrack. The local course of the magnetically guided, in itself

geschlossenen Plasmarings korreliert mit der Erosion des Targetmaterials. Closed plasma rings correlate with the erosion of the target material.

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 in Verbindung mit dem As targets planar and pipe targets are known, which are arranged with their axial extent transverse to the transport direction of the substrates through the coating system. Depending on the design of the target is used in conjunction with the

Magnetsystem von einem Rohrmagnetron oder planaren Magnetron gesprochen . Magnetic system spoken by a tubular magnetron or planar magnetron.

Rohrmagnetrons gestatten bekanntermaßen stabile Tubular magnetrons are known to allow stable

Beschichtungsprozesse mit hoher Targetausnutzung und sind insbesondere zum Beschichten von großflächigen Substraten oder zur kontinuierlichen Beschichtung geeignet. Sie Coating processes with high target utilization and are particularly suitable for coating large-area substrates or for continuous coating. she

umfassen eine zylinderförmige Elektrode, die um ihre include a cylindrical electrode surrounding its

Längsachse drehbar ist. Longitudinal axis is rotatable.

Die Mantelflächen dieser Rohrkathoden bestehen aus The lateral surfaces of these tube cathodes consist of

sputterbarem Targetmaterial, wobei das Targetmaterial entweder als rohrförmiges Target ausgebildet sein kann, so dass der Zylinder der Rohrkathode vollständig aus dem zu sputterndem Material besteht, oder die Rohrkathoden bestehen aus einem Trägerrohr, welches mit dem zu sputterndem sputterable target material, wherein the target material may be formed either as a tubular target, so that the cylinder of the tube cathode consists entirely of the material to be sputtered, or the tube cathodes consist of a support tube, which with the sputterndem

Material beschichtet ist. Unabhängig von der jeweiligen Ausführung wird üblicherweise von einem rohrförmigen Target oder einem Rohrtarget gesprochen. Material is coated. Regardless of the particular embodiment is usually spoken of a tubular target or a pipe target.

Im Innenraum eines Rohrtargets ist ein wie oben In the interior of a tube target is a like above

beschriebenes Magnetsystem angeordnet, welches sich über die gesamte Länge des Rohrtargets erstreckt, so dass sich der Racetrack auf der Mantelfläche des Rohrtargets ausbildet und sich parallel zur dessen Längsachse über dessen gesamte Länge erstreckt. Das Rohrtarget ist bezogen auf die arranged magnet system which extends over the entire length of the tube target, so that the Racetrack forms on the lateral surface of the tube target and extends parallel to the longitudinal axis over its entire length. The pipe target is based on the

Magnetanordnung drehbar, so dass sich im Beschichtungsbetrieb das Rohrtarget drehen kann, während die Magnetanordnung gleichbleibend in der Beschichtungskammer ausgerichtet ist. Durch eine gleichförmige Rotation der Rohrtargets bei stationärem Magnetfeld durchläuft die gesamte zylindrische Targetoberfläche den Racetrackbereich und es wird eine gleichmäßige Erosion des Targetmaterials erzielt . Rotatable magnet assembly, so that in Coating operation can rotate the tube target, while the magnet assembly is aligned consistently in the coating chamber. By uniformly rotating the tube targets at a steady state magnetic field, the entire cylindrical target surface passes through the racetrack region and uniform erosion of the target material is achieved.

Rohrmagnetrons werden als einzelne Magnetrons (Single- Rohrmagnetron oder RSM) oder als Doppelte Magnetrons Tubular magnetrons are available as single magnetrons (single tube magnetron or RSM) or as double magnetrons

(Double-Rohrmagnetrons oder RDM) mit regelmäßig (Double-tube magnetrons or RDM) with regular

gleichläufiger Drehrichtung verwendet. Als Single- Rohrmagnetron wird ein Rohrmagnetron dann angesehen, wenn es so weit von einem benachbarten Rohrmagnetron entfernt oder von diesem durch Blenden oder eine Trennwand getrennt ist, dass sich dessen Verteilungscharakteristik nicht mit dem des benachbarten überschneiden kann: used in the same direction of rotation. As a single tubular magnetron, a tubular magnetron is considered, if it is so far away from a neighboring tubular magnetron or separated from it by diaphragms or a partition, that its distribution characteristic can not overlap with that of the neighboring:

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 das Reaktivgas enthaltenden Zusammensetzung niederschlägt. Dazu werden dem Prozessraum Arbeits- und Reaktivgas über Gaszuführungssysteme getrennt oder als For the purpose of reactive sputtering, the process gas is composed of an inert working gas, such as argon or xenon, and a reactive gas such as oxygen or nitrogen so that a layer is deposited on the substrate in a composition containing the reactive gas. For this purpose, the process space working and reactive gas via gas supply systems are separated or as

Gemisch zugeführt. Reaktives Sputtern hat sich unter anderem auch aufgrund der meist preisgünstigeren Targets und der häufig höheren Beschichtungsrate als deutlich Mixture supplied. Reactive sputtering has become evident, among other things, due to the usually cheaper targets and the often higher coating rate

kostengünstiger erwiesen. proved more cost effective.

Transparente Metalloxidschichten werden für die Transparent metal oxide layers are used for the

verschiedensten Anwendungsgebiete benötigt, entweder als dielektrische Schichten z.B. für optische Schichtsysteme oder als elektrisch leitfähige Schichten, z.B. als various applications, either as dielectric layers e.g. for optical layer systems or as electrically conductive layers, e.g. when

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. Surface contact for thin-film solar cells. For example, layers of aluminum-doped zinc oxide (ZnO: Al) are used as front contact for CIGS solar cells. Depending on Application, the optical and electrical properties depend significantly on the sputtering process.

Häufig sind gleichzeitig sowohl geringer elektrischer Often both low electrical

Widerstand als auch hohe Transparenz wichtig, insbesondere für den Einsatz als Frontkontakt in Solarzellen. Die Resistance and high transparency important, especially for use as a front contact in solar cells. The

Optimierungsquelle der Substrattemperatur, die sich Optimization source of the substrate temperature, which is

insbesondere für die optischen und elektrischen especially for the optical and electrical

Schichteigenschaften als günstig erwiesen hat, ist aufgrund der Energiebilanz des Beschichtungsverfahrens oder der Layer properties has proved favorable, due to the energy balance of the coating process or the

Empfindlichkeit einzelner Schichten in einem Schichtstapel deutlich eingeschränkt. Auch andere Prozessparameter wie Druck, Leistung und Magnetfeldstärke, die beim keramischen Prozess durchaus Optimierungspotenzial für die Sensitivity of individual layers in a layer stack clearly limited. Other process parameters such as pressure, power and magnetic field strength, which in the ceramic process certainly optimization potential for the

Schichteigenschaften haben, haben sich als ungeeignet herausgestellt, die Paarung Widerstand-Transmission zu verbessern. Bekannt ist allerdings, dass mit einem eher größeren Target-Substrat-Abstand bessere Werte der Layer properties have proved to be inappropriate to improve the pairing resistance-transmission. However, it is known that with a rather larger target-substrate distance better values of the

Schichteigenschaften erzielbar sind. Auch die Verwendung eines unbalancierten Polschuhs führt nicht zum Erfolg. Zudem ist beim reaktiven Sputtern von transparenten Layer properties are achievable. Even the use of an unbalanced pole piece does not lead to success. In addition, reactive sputtering is transparent

Metalloxiden, z.B., ein Optimum an Transmission als auch an Widerstand somit über die gesamte Schichtdicke hinweg nicht einstellbar. Es hat sich auch herausgestellt, dass eine Gleichmäßigkeit der Stöchiometrie der schichtbildenden Metal oxides, e.g., an optimum of transmission as well as resistance, thus not adjustable over the entire layer thickness. It has also been found that uniformity of the stoichiometry of the layer-forming

Teilchen im Plasma nicht in befriedigendem Maße erreicht werden konnte, was sich in einer Ungleichmäßigkeit der Particles in the plasma could not be achieved to a satisfactory extent, resulting in an unevenness of the

Parameter für den Flächenwiderstand und der Transmission der erzeugten Schicht gezeigt hat. Insofern blieb das reaktive Sputtern, beispielsweise von ZnO:Al gegenüber dem nicht- oder teilreaktiven Sputtern von einem keramischen Has shown parameters for the sheet resistance and the transmission of the generated layer. In this respect, the reactive sputtering, for example of ZnO: Al, remained opposite to the non-reactive or partially reactive sputtering of a ceramic one

Rohrmagnetron bisher benachteiligt. Pipe magnetron previously disadvantaged.

Aufgabe ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Magnetronsputtern von transparenten Metalloxidschichten zur Verfügung zu stellen, die es bei reaktivem Sputtern gestatten, die optischen und elektrischen The object is therefore to provide a method and a device for magnetron sputtering of transparent metal oxide layers, which are available in reactive sputtering allow the optical and electrical

Schichteigenschaften weiter zu verbessern. Layer properties continue to improve.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 7 vorgeschlagen. Die jeweils davon abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungen dazu. To solve the problem, a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 7 is proposed. The respective dependent claims describe advantageous embodiments thereto.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu verwendete The inventive method and the used

Vorrichtung gestatten es, den Energieeintrag des Magnetrons während der Beschichtung zu senken. Dieser bestimmt in Form eines Temperaturhubes im Beschichtungsprozess die erzielbare Maximaltemperatur. Die Verwendung eines Single- Rohrmagnetrons, welches mit einem sonst üblichen Device allows to reduce the energy input of the magnetron during the coating. This determines the achievable maximum temperature in the form of a temperature increase in the coating process. The use of a single-tube magnetron, which with a usual

Öffnungswinkel des äußeren Polschuhs von kleiner 30°, gemessen zwischen zentralem und äußerem Polschuh, bzw. Opening angle of the outer pole piece of less than 30 °, measured between the central and outer pole piece, or

kleiner 60° zwischen den beiden äußeren Polschuhen einen sehr schmalen Racetrack und einen hohen Energieeintrag in das Substrat aufweist, führt infolge des vergrößerten smaller 60 ° between the two outer pole shoes has a very narrow Racetrack and a high energy input into the substrate, resulting from the enlarged

Öffnungswinkels in Verbindung mit einem relativ großen Opening angle in conjunction with a relatively large

Substrat-Targetabstand, verglichen zu sonst üblichen Substrate target distance, compared to usual

Abständen von z.B. 80 mm, dazu, dass die Einstellbarkeit der Substrattemperatur als die beste Optimierungsquelle für optische und elektrische Eigenschaften deutlich erweitert werden konnte. Die modifizierten Parameter bewirken, dass sich zum einen die Teilchenemissionscharakteristik ändert und zum anderen der Racetrack verbreitert wird. Distances of e.g. 80 mm, that the adjustability of the substrate temperature as the best optimization source for optical and electrical properties could be significantly increased. The modified parameters cause on the one hand the particle emission characteristic changes and on the other hand the racetrack is broadened.

Welcher Winkel zwischen den beiden äußeren Polschuhen des Magnetsystems eingestellt wird, hängt von dem möglichen Energieeintrag in die Schicht ab, wobei regelmäßig größere Öffnungswinkel aufgrund des geringeren Energieeintrags bevorzugt sind und die Grenze z.B. durch die morphologischen und Haftungseigenschaften der abzuscheidenden Schicht gesetzt wird. So sind Öffnungswinkel von 90° und darüber, auch bis 180°, möglich. Z.B. wurden mit einem Öffnungswinkel von 120° sehr gute Schichteigenschaften erzielt. Auch die obere Grenze des Substrat-Targetabstandes wird durch die Eigenschaften der abzuscheidenden Schicht z.B. durch die morphologischen und Haftungseigenschaften, bestimmt sowie durch die Plasmaverteilung und damit Which angle is set between the two outer pole shoes of the magnet system depends on the possible introduction of energy into the layer, wherein regularly larger opening angles are preferred due to the lower energy input and the limit is set eg by the morphological and adhesion properties of the layer to be deposited. Thus, opening angles of 90 ° and above, even up to 180 °, possible. For example, very good layer properties were achieved with an opening angle of 120 °. The upper limit of the substrate target distance is also determined by the properties of the layer to be deposited, for example by the morphological and adhesion properties, and by the plasma distribution and thus

verbunden, die Abscheiderate. Letztere ist für connected, the deposition rate. The latter is for

Durchlaufbeschichtung im industriellen Maßstab ein wichtiger Optimierungswert . Throughput coating on an industrial scale is an important optimization value.

Das Verfahren und die dazu verwendete Vorrichtung sind entsprechend einer Ausgestaltung insbesondere für die The method and the device used therefor are according to an embodiment in particular for

Abscheidung von einem metallischen Target geeignet, da hier die Vorteile des reaktiven Beschichtungsverfahrens und der Targetherstellung besonders zum Tragen kommen. Deposition of a metallic target suitable, since the benefits of the reactive coating process and the target production come particularly to bear.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung kann das Target als ein dotiertes Zink enthaltenden Rohrtarget mit der According to a further embodiment, the target as a doped zinc-containing tube target with the

Dotierung von zumindest einem Element von Aluminium und Gallium ausgeführt sein. ZnO : AI-Schichten finden in sehr vielen Gebieten Anwendung, so dass deren Optimierung der optischen und elektrischen Eigenschaften den verschiedensten Anforderungen unterliegt und eine Erweiterung der dazu verwendbaren Parameterbereiche von Vorteil ist. Doping be performed by at least one element of aluminum and gallium. ZnO: Al layers are used in many fields, so that their optimization of the optical and electrical properties is subject to the most diverse requirements and an extension of the parameter ranges usable for this purpose is advantageous.

Sofern entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens und der dazu verwendeten Vorrichtung das Substrat mittels einer geeigneten Heizeinrichtung vor der Abscheidung der If, according to an embodiment of the method and the device used for this purpose, the substrate by means of a suitable heating device before the deposition of

Metalloxidschicht zumindest abschnittsweise auf einen solche Substrattemperatur erwärmt wird, dass während der Metal oxide layer is at least partially heated to a substrate temperature such that during the

Abscheidung eine vordefinierte Maximaltemperatur erreicht oder zumindest nicht überschritten wird, ist es möglich, das Substrat, zumindest in dem beheizten Abschnitt, homogen zu heizen und so nahe wie möglich an maximale Deposition reaches a predefined maximum temperature or at least not exceeded, it is possible to heat the substrate, at least in the heated section, homogeneous and as close as possible to maximum

Substrattemperatur zu führen. Da auf diese Weise die Substrate temperature lead. Because in this way the

erlaubte Maximaltemperatur nicht nur unmittelbar bei allowed maximum temperature not only immediately at

Durchfahrt unter dem Rohrmagnetron eingestellt ist, sondern auch in größeren Abständen vom Rohrmagnetron, kann ein optimales Schichtwachstum gewährleistet werden. Zudem führt Erwärmung des Substrats dazu, dass Schichtanteile, die unter größeren Abständen vom Magnetron durch Streudampf Passage is set below the tube magnetron, but also at greater distances from the tube magnetron, an optimal layer growth can be ensured. In addition leads Heating the substrate to the fact that layer portions, which at greater distances from the magnetron by scattered vapor

abgeschieden werden, auch bei optimaler oder zumindest nahezu optimaler Temperatur wachsen können. Die Maximaltemperatur wird durch verschiedene bekannte oder bestimmbare Parameter des die Metalloxidschicht umfassenden Schichtsystems und dessen Anwendung sowie durch die be deposited, even at optimal or at least almost optimal temperature can grow. The maximum temperature is determined by various known or determinable parameters of the metal oxide layer layer system and its application and by the

Parameter des Beschichtungsverfahrens bestimmt. Bei Parameters of the coating process determined. at

letzterem kann das Beschichtungsverfahren für die the latter, the coating process for the

Metalloxidschicht oder, bei einer gegenseitigen Metal oxide layer or, in a mutual

Beeinflussung zwischen den vor- und/oder nachgelagerten weiteren Prozessabläufen für das gesamte Schichtsystem zu berücksichtigen sein. So ist z.B. für den Einsatz der Influencing between the upstream and / or downstream further process sequences for the entire layer system to be considered. For example, e.g. for the use of

Metalloxidschicht in CIGS-Solarzellen die Substrattemperatur während der TCO-Abscheidung auf eine Maximaltemperatur von ca. 200°C zu begrenzen, da sonst der Absorber degradiert. Ist jedoch das Substrat von vorangegangenen Prozessen bereits deutlich erwärmt, ist dies für die Einhaltung der Maximaltemperatur zu berücksichtigen. Für andere Schichten und Schichtsysteme und Beschichtungsverfahren können sich andere Maximaltemperaturen ergeben, die durch Versuche oder Simulationen bestimmt werden können. Metal oxide layer in CIGS solar cells to limit the substrate temperature during the TCO deposition to a maximum temperature of about 200 ° C, otherwise the absorber degrades. However, if the substrate of previous processes already significantly heated, this is to be considered for the maintenance of the maximum temperature. For other layers and layer systems and coating processes, other maximum temperatures may result, which may be determined by experiments or simulations.

Sofern z.B. bei der Herstellung von Metalloxidschichten von Architekturglasbeschichtungen die Transparenz eine As far as e.g. in the manufacture of metal oxide layers of architectural glass coatings, transparency

wesentliche und zu optimierende Eigenschaft ist oder bei der Herstellung eines Frontkontakts einer Solarzelle die essential and to be optimized property or when producing a front contact of a solar cell the

Transparenz und die elektrische Leitfähigkeit, können über die gezielte Einstellung der Substrattemperatur mittels Substraterwärmung diese Werte für sich oder in Verbindung miteinander durch Prozessführung maximiert werden. Die Transparency and electrical conductivity, these values can be maximized individually or in conjunction with each other through process control by the targeted adjustment of the substrate temperature by means of substrate heating. The

Parameter des Öffnungswinkels des äußeren Polschuhs und des Substrat-Targetabstandes stehen als während des Prozesses stabile Größen darüber hinaus zur Verfügung. Parameters of the opening angle of the outer pole piece and the substrate target distance are also available as stable values during the process.

Bekanntermaßen ist ein Sputtern sowohl von unterhalb (Sputter-up) als auch von oberhalb ( Sputter-down) einer Substratebene möglich, in welcher ein Substrat in einer Beschichtungdkammer gehalten oder durch diesen hindurch bzw. durch eine Beschichtungsanlage transportiert wird. Die vorangegangenen Darlegungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und zur dafür verwendbaren Vorrichtung sind auf keine der beiden Sputterrichtungen beschränkt. Verfahren und As is known, sputtering is both from below (Sputter-up) as well as from above (sputter-down) a substrate level in which a substrate is held in a Beschichtungsdkammer or transported through this or by a coating system. The preceding explanations of the method according to the invention and the device which can be used for this purpose are not limited to any of the two sputtering directions. Method and

Vorrichtung sind auch für eine vertikale Substratanordnung anwendbar. Die nachfolgende Beschreibung eines Devices are also applicable to a vertical substrate arrangement. The following description of a

Ausführungsbeispieles, welches Sputter-down verwendet, soll deshalb lediglich beispielhaft und nicht beschränkend erfolgen . Embodiment, which uses sputter-down, should therefore be exemplary only and not restrictive.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines The invention will be described below with reference to a

Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Embodiments will be explained in more detail. In the

zugehörigen Zeichnung zeigt accompanying drawing shows

Fig. 1 ein Rohrmagnetron gemäß erfindungsgemäßem Fig. 1 is a tubular magnetron according to the invention

Verfahren in Schnittdarstellung; Method in sectional view;

Fig. 2 eine Vakuumkammer zur Durchführung des Fig. 2 is a vacuum chamber for carrying out the

erfindungsgemäßen Verfahrens und inventive method and

Fig. 3 Diagramm der elektrooptischen Schichteigenschaften einer transparenten Metalloxidschicht bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik bei verschiedenen Arbeitspunkten des reaktiven Prozesses. 3 shows a diagram of the electro-optical layer properties of a transparent metal oxide layer when using the method according to the invention in comparison to the prior art at different operating points of the reactive process.

Ein Rohrmagnetron gemäß Fig. 1 umfasst ein Trägerrohr 3, dessen Mantelfläche mit dem zu sputternden Targetmaterial 2, im Ausführungsbeispiel metallisches aluminiumdotiertes Zink, belegt ist. Im Inneren dieses Trägerrohrs 3 ist das A tube magnetron according to FIG. 1 comprises a carrier tube 3 whose lateral surface is covered with the target material 2 to be sputtered, in the exemplary embodiment metallic aluminum-doped zinc. Inside this support tube 3 is the

Magnetsystem 5 angeordnet, das sich parallel zur Längsachse 4 des Trägerrohrs 3 (senkrecht zur Zeichnungsebene) über dessen gesamte Länge erstreckt. Das Trägerrohr 3 ist drehbar gelagert, dargestellt durch einen Pfeil um die Längsachse 4 des Trägerrohrs 3. Das Magnetsystem 5 ist dem Trägerrohr 3 gegenüber beweglich montiert, so dass das Magnetsystem 5 seine Lage während der Drehung des Trägerrohrs 3 relativ zur Umgebung des Trägerrohrs 3 beibehält. Magnet system 5 is arranged, which extends parallel to the longitudinal axis 4 of the support tube 3 (perpendicular to the plane of the drawing) over its entire length. The support tube 3 is rotatably mounted, represented by an arrow about the longitudinal axis 4 of the support tube 3. The magnet system 5 is the support tube. 3 mounted movable relative to, so that the magnetic system 5 maintains its position during rotation of the support tube 3 relative to the surroundings of the support tube 3.

Das Magnetsystem 5 besteht aus einem zentralen Polschuh 7, der im Ausführungsbeispiel als Nordpol ausgebildet ist, und einem äußeren Polschuh 9, dem Südpol des Magnetsystems 5. Die Polung kann auch umgekehrt, d.h. N-S-N, ausgeführt sein. Die Ausrichtung des Magnetsystems 5 erfolgt mit dem The magnet system 5 consists of a central pole piece 7, which is formed in the embodiment as a north pole, and an outer pole piece 9, the south pole of the magnet system 5. The polarity can also be reversed, i. N-S-N, be executed. The alignment of the magnet system 5 takes place with the

zentralen Polschuh 7 senkrecht in Richtung eines während der Beschichtung unter dem Rohrmagnetron 1 angeordneten Substrat (in Fig. 1 nicht dargestellt) . Der äußere Polschuh 9 central pole piece 7 perpendicular in the direction of a during the coating under the tubular magnetron 1 arranged substrate (not shown in Fig. 1). The outer pole piece 9

verläuft zunächst parallel zum zentralen Polschuh 7, initially runs parallel to the central pole piece 7,

umrundet dessen ersten Ende (nicht dargestellt) , verläuft in entgegengesetzter Richtung erneut parallel zum zentralen Polschuh 7 und schließt sich zu einem Ring, indem er auch das entgegengesetzte Ende des zentralen Polschuhs 7 circumscribes its first end (not shown), runs in the opposite direction again parallel to the central pole piece 7 and closes in a ring, by also the opposite end of the central pole piece. 7

umrundet. In der Schnittdarstellung der Fig. 1 weist damit das Magnetsystem 5 einen einem W ähnlichen Querschnitt auf. circumnavigated. In the sectional view of FIG. 1, the magnet system 5 thus has a cross-section similar to W.

Die, im Querschnitt betrachtet, beidseitig des zentralen Polschuhs 7 liegenden Schenkel des äußeren Polschuhs 9 sind derart angeordnet, dass sie bezogen auf die Längsachse 4 des Trägerrohrs 3 einen Öffnungswinkel von 120° aufweisen. Es sind auch Öffnungswinkel bis 180° möglich. The viewed in cross-section, lying on both sides of the central pole piece 7 legs of the outer pole piece 9 are arranged such that they have an opening angle of 120 ° with respect to the longitudinal axis 4 of the support tube 3. There are also opening angles up to 180 ° possible.

Die beiden parallel zu und auf der Oberfläche des The two parallel to and on the surface of the

Targetmaterials 2 zwischen den Polschuhen 7, 9 verlaufenden Abschnitte des rennbahnförmig ausbildenden Racetracks 11 sind als gestrichelte Linien dargestellt. Das Racetrack 11 ist aufgrund des relativ großen Öffnungswinkels über einen größeren Abschnitt des Umgangs des Trägerrohrs 3 gestreckt. In Fig. 2 ist schematisch und ohne Anspruch auf Darstellung aller Komponenten eine Vakuumkammer 20 einer Sputter- Beschichtungsanlage mit einem Rohrmagnetron 1 gemäß Fig. 1 dargestellt . Innerhalb der Vakuumkammer 20 ist ein einzelnes Rohrmagnetron 1 als Single-Rohrmagnetron angeordnet, das als Kathode der Elektrodenanordnung zur Plasmaerzeugung dient, wobei eine weitere Elektrode 23 erforderlich ist. Auch diese Elektrode 23 ist nur schematisch und deshalb ohne weitere Anschlüsse, wie elektrische oder Kühlmittelanschlüsse, dargestellt und kann auch wie die Kammerwand auf Masse liegend sein. Target material 2 between the pole pieces 7, 9 extending portions of the race track forming racetrack 11 are shown as dashed lines. The racetrack 11 is stretched over a larger portion of the circumference of the support tube 3 due to the relatively large opening angle. 2, a vacuum chamber 20 of a sputter coating system with a tubular magnetron 1 according to FIG. 1 is shown schematically and without any claim to representation of all components. Within the vacuum chamber 20, a single tubular magnetron 1 is arranged as a single-tube magnetron, which serves as a cathode of the electrode assembly for plasma generation, wherein a further electrode 23 is required. Also, this electrode 23 is shown only schematically and therefore without further connections, such as electrical or coolant connections, and may also be like the chamber wall lying on ground.

Das Rohrmagnetron 1 erstreckt sich quer zu einer The tubular magnetron 1 extends transversely to a

Substrattransportrichtung 25, in welcher ein Substrat 21 mittels einer geeigneten Transportvorrichtung 27 durch die Vakuumkammer und fortführend durch die gesamte Substrattransportrichtung 25, in which a substrate 21 by means of a suitable transport device 27 through the vacuum chamber and continuing through the entire

Beschichtungsanlage transportiert wird. In ihrer Coating plant is transported. In your

Längsausdehnung senkrecht zur Zeichenebene entspricht das Rohrmagnetron 1 ungefähr der Substratbreite oder erstreckt sich darüber hinaus. Zwischen dem Substrat 21 und dem Longitudinal extent perpendicular to the plane corresponds to the tube magnetron 1 approximately the width of the substrate or extends beyond. Between the substrate 21 and the

Rohrmagnetron 1 ist ein Substrat-Target-Abstand H von 120 mm eingestellt. Der Abstand wird zwischen der Substratebene 22, in welcher ein Substrat 21 durch die Vakuumkammer 20 Tube magnetron 1 is set at a substrate-target distance H of 120 mm. The distance is between the substrate plane 22, in which a substrate 21 through the vacuum chamber 20th

transportiert wird, und der Unterkante des Rohrmagnetrons 1 bestimmt . is transported, and the lower edge of the tubular magnetron 1 determined.

In die Vakuumkammer 1 wird durch getrennte Gaszuführungen 29 über die Länge des Rohrmagnetrons 1 verteilt Argon als inertes Arbeitsgas und Sauerstoff als Reaktivgas zugeführt. Die Gaszufuhr kann für das Arbeitsgas seitlich und für das Reaktivgas oberhalb des Rohrmagnetrons 1 oder umgekehrt erfolgen. Auch andere Verteilungen der Gaszufuhr zumindest eines Gases als die dargestellten können sich bei anderen Beschichtungsmaterialien als günstig erweisen. Zur reaktiven Beschichtung wird ein Substrat 21 in der Into the vacuum chamber 1, argon is supplied as an inert working gas and oxygen as a reactive gas through separate gas feeds 29 over the length of the tubular magnetron 1. The gas supply can be carried out laterally for the working gas and for the reactive gas above the tubular magnetron 1 or vice versa. Other distributions of the gas supply of at least one gas than those shown can prove favorable in other coating materials. For reactive coating, a substrate 21 in the

Substratebene 22 liegend durch die Vakuumkammer 20 hindurch und dabei an dem Rohrmagnetron 1 vorbei transportiert. Substrate plane 22 lying through the vacuum chamber 20 and thereby transported to the tubular magnetron 1 over.

Eingangsseitig und ausgangsseitig weist die Vakuumkammer jeweils einen Durchgang 31 zum Ein- und Ausfahren des Substrats 21 auf. On the input side and output side, the vacuum chamber has in each case a passage 31 for extending and retracting the Substrate 21 on.

Zur Erwärmung des Substrats 21 kann eine Heizeinrichtung (nicht dargestellt) , die in einer der vorangegangenen For heating the substrate 21 may be a heater (not shown), in one of the preceding

Kammern der Beschichtungsanlage oder alternativ auch in der dargestellten Vakuumkammer 20 angeordnet ist, oder können vorherige Behandlungs- oder Beschichtungsprozesse genutzt werden, die das Substrat 21 auf die gewünschte Temperatur erwärmen, die wie oben beschrieben so hoch sein soll, dass das Substrat 21 während der Beschichtung nicht wärmer als die gewünschte Maximaltemperatur wird. Chambers of the coating plant or alternatively also in the illustrated vacuum chamber 20 is arranged, or previous treatment or coating processes can be used, which heat the substrate 21 to the desired temperature, which should be as high as described above, that the substrate 21 during the coating not warmer than the desired maximum temperature.

Während der Beschichtung wird ein Plasma dort gezündet, wo die Magnetfeldlinien parallel zur Targetoberfläche During the coating, a plasma is ignited where the magnetic field lines parallel to the target surface

verlaufen, folglich mittig zwischen zwei Polschuhen 7, 9 der Magnetanordnung 5. In diesem Bereich bildet sich der run, therefore centrally between two pole pieces 7, 9 of the magnet assembly 5. In this area, the forms

Racetrack 11 aus, in welchen das Targetmaterial von der äußeren Oberfläche des rotierenden Rohrmagnetrons 1 Racetrack 11, in which the target material from the outer surface of the rotating tubular magnetron 1

abgesputtert wird. Infolge der Rotation wird das is sputtered. As a result of the rotation, the

Targetmaterial gleichmäßig von der gesamten Oberfläche der Rohrmagnetrons 1 abgetragen. Das gesputterte Targetmaterial breitet sich in Richtung des gegebenenfalls erwärmten Target material evenly removed from the entire surface of the tubular magnetrons 1. The sputtered target material spreads in the direction of the optionally heated

Substrats 21 aus, reagiert mit dem in die Vakuumkammer eingelassenen Reaktivgas und wird als transparentes Substrate 21, reacts with the admitted into the vacuum chamber, the reactive gas and is transparent

Metalloxid auf dem Substrat 21 abgeschieden. Metal oxide deposited on the substrate 21.

In Fig. 3 ist die im sichtbaren Bereich maximal erzielbare Transparenz Tmax einer aluminiumdotierten ZinkoxidschichtIn FIG. 3, the maximum achievable transparency in the visible range is T max of an aluminum-doped zinc oxide layer

(ZnO:Al) auf einem Glassubstrat dargestellt in Abhängigkeit von Flächenwiderstand Rs, der bei verschiedenen (ZnO: Al) on a glass substrate as a function of sheet resistance Rs, which at different

Arbeitspunkten des reaktiven Prozesses eingestellt wurde. Fig. 3 zeigt die Kurve 40 für einen Öffnungswinkel Working points of the reactive process has been set. 3 shows the curve 40 for an opening angle

zwischen den äußeren Polschuhen gemäß Stand der Technik. Er beträgt in diesem Fall 50°. Die Kurve 42 repräsentiert die Werte für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem between the outer pole pieces according to the prior art. He is in this case 50 °. The curve 42 represents the values for the method according to the invention with a

Öffnungswinkel von 120° und einem Target-Substratabstand H von ca. 150 mm abgeschiedene ZnO : Al-Schicht . Der Target- Substratabstand H ist im Ausführungsbeispiel durch die Opening angle of 120 ° and a target substrate distance H of about 150 mm deposited ZnO: Al layer. The target Substrate distance H is in the embodiment by the

Geometrie der Vakuumkammer 20 begrenzt und kann bei anderen geometrischen Bedingungen wie oben dargelegt zur Optimierung der Schichteigenschaften auch andere Werte annehmen. Geometry of the vacuum chamber 20 is limited and may assume other values for optimizing the layer properties under other geometric conditions as set forth above.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Rohrmagnetron 1 tube magnetron

2 Targetmaterial 2 target material

3 Trägerrohr 3 carrier tube

4 Längsachse 4 longitudinal axis

5 Magnetsystem 5 magnet system

7 zentraler Polschuh 7 central pole piece

9 äußerer Polschuh 9 outer pole piece

11 Racetrack 11 racetrack

20 Vakuumkammer 20 vacuum chamber

21 Substrat 21 substrate

22 Substratebene 22 substrate level

23 Elektrode 23 electrode

25 Substrattransportrichtung 25 substrate transport direction

27 Transportvorrichtung 27 transport device

29 Gaszuführung 29 gas supply

31 Durchgang 31 passage

40 Graph nach Stand der Technik 40 graph of the prior art

42 Graph nach erfindungsgemäßem Verfahren Öffnungswinkel zwischen den äußeren Polschuhen 42 Graph according to the invention process opening angle between the outer pole pieces

H Substrat-Target-Abstand H substrate-target distance

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern einer 1. A method for reactive magnetron sputtering a

transparenten Metalloxidschicht auf einem beschichteten oder unbeschichteten Substrat (21), indem das Targetmaterial (2) von einem Rohrmagnetron (1), welches ein Magnetsystem (5) mit einem zentralen Polschuh (7) erster Polung und transparent metal oxide layer on a coated or uncoated substrate (21), by the target material (2) of a tubular magnetron (1) having a magnet system (5) with a central pole piece (7) of first polarity and

beidseitig des zentralen Polschuhs (7) je einem äußeren Polschuh (9) entgegengesetzter Polung umfasst, wobei der äußere Polschuh (9) im Querschnitt betrachtet einen on either side of the central pole piece (7) each comprises an outer pole piece (9) of opposite polarity, wherein the outer pole piece (9) in cross-section a

Öffnungswinkel ( ) aufweist, unter Zufuhr eines Reaktivgases gesputtert und als Metalloxidschicht auf einem Substrat (21) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern von einem Single-Rohrmagnetron erfolgt, dessen äußere Polschuhe (9) einen Öffnungswinkel ( ) von größer 60° aufweisen und ein Substrat-Target-Abstand (H) von > 100 mm, bevorzugt ^ 120 mm eingestellt ist. Opening angle () sputtered with the supply of a reactive gas and deposited as a metal oxide layer on a substrate (21), characterized in that the sputtering is carried out by a single-tube magnetron whose outer pole pieces (9) have an opening angle () of greater than 60 ° and a substrate-target distance (H) of> 100 mm, preferably ^ 120 mm is set.

2. Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern nach 2. Method for reactive magnetron sputtering after

Anspüruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Polschuhe (9) einen Öffnungswinkel ( ) bevorzugt von größer 90°, weiter bevorzugt größer 110° aufweisen Inspection cloth 1, characterized in that the outer pole shoes (9) have an opening angle () preferably of greater than 90 °, more preferably greater than 110 °

3. Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3. A method for reactive magnetron sputtering according to claim 1 or 2, characterized in that the

Abscheidung von einem metallischen Targetmaterial (2) erfolgt . Deposition of a metallic target material (2) takes place.

4. Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung von einem dotierten Zink enthaltenden Targetmaterial (2) mit der Dotierung von zumindest einem Element von Aluminium und Gallium erfolgt. 4. A method for reactive magnetron sputtering according to claim 3, characterized in that the deposition of a doped zinc-containing target material (2) takes place with the doping of at least one element of aluminum and gallium.

5. Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Metalloxidschicht das Substrat (21) zumindest abschnittsweise auf eine solche 5. A method for reactive magnetron sputtering according to one of the preceding claims, characterized in that prior to the deposition of the metal oxide, the substrate (21) at least partially to such

Substrattemperatur erwärmt wird, dass während der Substrate temperature is heated during that

Abscheidung eine vordefinierte Maximaltemperatur erreicht oder zumindest nicht überschritten wird. Deposition reaches a predefined maximum temperature or at least not exceeded.

6. Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximaltemperatur jene Temperatur ist, bei welcher die abzuscheidende Schicht den in Abhängigkeit von der Substrattemperatur während der Beschichtung höchsten Wert der Transparenz und/oder der elektrischen Leitfähigkeit erreicht. 6. A method for reactive magnetron sputtering according to claim 5, characterized in that the maximum temperature is that temperature at which the layer to be deposited reaches the highest value of the transparency and / or the electrical conductivity as a function of the substrate temperature during the coating.

7. Vorrichtung zum Magnetronsputtern einer transparenten Metalloxidschicht, wobei in einer Vakuumkammer (20) über oder unter einer Substratebene (22) ein Rohrmagnetron (1), welches ein Magnetsystem (5) mit einem zentralen Polschuh (7) erster Polung und beidseitig des zentralen Polschuhs (7) je einem äußeren Polschuh (9) entgegengesetzter Polung umfasst, wobei der äußere Polschuh (9) im Querschnitt betrachtet einen Öffnungswinkel ( ) aufweist, sowie 7. An apparatus for magnetron sputtering a transparent metal oxide layer, wherein in a vacuum chamber (20) above or below a substrate plane (22) a tubular magnetron (1) having a magnet system (5) with a central pole piece (7) first polarity and on both sides of the central pole piece (7) each having an outer pole piece (9) of opposite polarity, wherein the outer pole piece (9) viewed in cross section has an opening angle (), and

Gaszuführungssysteme (29) für eine Arbeitsgas und/oder für ein Reaktivgas angeordnet sind, dadurch Gas supply systems (29) are arranged for a working gas and / or for a reactive gas, characterized

gekennzeichnet, dass das Rohrmagnetron (1) ein Single- Rohrmagnetron ist, dessen äußere Polschuhe (9) einen in that the tubular magnetron (1) is a single-tube magnetron whose outer pole shoes (9) have a

Öffnungswinkel ( ) von größer 60° aufweisen, und dass das Rohrmagnetron (1) mit einem Substrat-Target-Abstand (H) von > 100 mm, bevorzugt ^ 120 mm angeordnet ist. Opening angle () of greater than 60 °, and that the tube magnetron (1) with a substrate-target distance (H) of> 100 mm, preferably ^ 120 mm is arranged.

8. Vorrichtung zum Magnetronsputtern einer transparenten Metalloxidschicht nach Anspruch 7, dadurch 8. An apparatus for magnetron sputtering a transparent metal oxide according to claim 7, characterized

gekennzeichnet, dass die äußeren Polschuhe (9) einen Öffnungswinkel ( ) bevorzugt von größer 90° aufweisen, weiter bevorzugt größer 110° aufweisen. in that the outer pole shoes (9) have an opening angle () of preferably greater than 90 °, more preferably greater than 110 °.

9. Vorrichtung zum Magnetronsputtern einer transparenten Metalloxidschicht nach Anspruch 7 oder 8, dadurch 9. An apparatus for magnetron sputtering a transparent metal oxide according to claim 7 or 8, characterized

gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung zur zumindest abschnittsweisen Erwärmung eines zu beschichtenden Substrats (21) angeordnet ist. in that a heating device is arranged for at least partially heating a substrate (21) to be coated.

10. Vorrichtung zum Magnetronsputtern einer transparenten Metalloxidschicht nach einem der Ansprüche 7 bis 9, 10. An apparatus for magnetron sputtering a transparent metal oxide film according to any one of claims 7 to 9,

dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrmagnetron (1) ein metallisches Targetmaterial (2) umfasst. characterized in that the tubular magnetron (1) comprises a metallic target material (2).

11. Vorrichtung zum Magnetronsputtern einer transparenten Metalloxidschicht nach Anspruch 10, dadurch 11. An apparatus for magnetron sputtering a transparent metal oxide according to claim 10, characterized

gekennzeichnet, dass das Targetmaterial (2) dotiertes Zink enthält mit der Dotierung von zumindest einem Element von Aluminium und Gallium. in that the target material (2) contains doped zinc with the doping of at least one element of aluminum and gallium.