Isolationsschichten

Isolationsschichten mit hoher Spannungsfestigkeit

Isolationsschichten spielen in einer Vielzahl von Anwendungen eine entscheidende Rolle. Im Zuge der Industrie 4.0 geht der Trend hin zu vermehrter Überwachung und Kontrolle von Prozessen und Abläufen. Hierzu werden vermehrt Sensoren oder integrierte Sensorlösungen eingesetzt. Speziell bei der Sensorintegration auf technischen, meist metallischen Bauteilen ist eine zuverlässige und spannungsfeste Isolation zwingend erforderlich. Anforderungen an diese Isolationsschichten, die auch in anderen Bauteilen und Märkten verwendet werden, sind eine geringe Defektdichte und eine hohe Spannungsfestigkeit. Am Fraunhofer IST werden deshalb Prozesse untersucht, mit denen auf industriellem Maßstab defektfreie Isolationsschichten hergestellt werden können.

Vakuumabscheidung von Isolationsschichten

Für Isolations- und Funktionszwecke werden häufig Silizium- und Aluminiumoxidschichten verwendet, die mittels Verfahren der Vakuumbeschichtung abgeschieden werden. Im Wesentlichen kommen hierbei je nach Anforderung Verfahren zur Abscheidung aus der Gasphase (engl.: Chemical Vapor Deposition, CVD) und vom Festkörpertarget (engl.: Physical Vapor Deposition, PVD) zum Einsatz. Beide Verfahren weisen eine Reihe von Vorteilen, aber auch einige Nachteile auf.

Siliziumoxidschichten können beispielsweise in guter Qualität und hoher Rate mittels Plasma-CVD (PACVD) hergestellt werden. Allerdings reagieren solche Prozesse sehr sensibel bei Veränderungen der Beladung und Bauteilabmessungen. Aluminiumoxid ist dagegen mittels PACVD schwerer herstellbar und wird stattdessen meist über Hochfrequenz-Sputtern von einem keramischen Target erzeugt. Leider ist hierbei die Abscheiderate sehr gering. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit ist allerdings eine hohe Abscheiderate für die PVD-Verfahren mit hoher Schichtgüte wünschenswert.

Reaktives MF-Sputtern von hochisolierenden Al2O3-Schichten

Während sich mittels herkömmlichem Hochfrequenz-Sputtern von einem keramischen Al2O3-Target stöchiometrische Schichten mit guten Isolationseigenschaften herstellen lassen, bieten reaktive Sputterprozesse darüber hinaus das Potenzial, die Rate deutlich zu steigern. Allerdings stellt der reaktive Prozess den Nutzer vor besondere Herausforderungen: Um eine defektarme Schicht zu erzeugen, sollten beim Abscheideprozess Bogenentladungen, sogenannte Arcs, möglichst vermieden werden. Diese entstehen oft zwischen dem metallischen Sputtergraben und Bereichen, die mit Oxid auf der Targetoberfläche belegt werden. Ein sehr schnelles Reagieren im Falle eines Arcs ist hier zwingend erforderlich. Durch den Einsatz von Rohrkathoden kann die Ausbildung von Oxidschichten auf der Targetoberfläche und damit auch die Bildung von Bogenentladungen minimiert werden.

Charakterisierung hochisolierender Al2O3-Schichten auf industriellem Maßstab

Am Fraunhofer IST wurde ein reaktiver Prozess entwickelt, mit dem hochisolierende Al2O3-Schichten erzeugt werden können. Während herkömmliche Schichten mit einer Dicke von ca. 5 µm Durchschlagspannungen von meist 500 – 1000 V aufweisen, überstiegen die mit dem neuen Prozess hergestellte Proben die maximale Testspannung von 5000 V. Die Abscheiderate für die Schichten lag im Bereich von 2 µm/h.

Um den Prozess hinsichtlich industrieller Anforderungen weiter zu evaluieren, wurde in einer Inline-Beschichtungsanlage mit Kathodenlängen von ca. 500 mm ein Carrier vollflächig mit metallischen Referenzproben ausgestattet. Die untersuchte Fläche auf dem Carrier betrug ca. 400 mm x 400 mm. Die 5 µm dicke Al2O3-Schicht wurde mit einer metallischen Deckschicht versehen und anschließend mit einem Hochspannungstester (nach DIN EN 60243-1) hinsichtlich der Durchschlagspannung und der Streuung untersucht.

Von den unterschiedlichen Messstellen lag die Durchschlagspannung bei allen Proben oberhalb von 2000 V. Über die Hälfte aller Messpunkte besaß eine Durchschlagspannung von mehr als 5000 V. An keiner Probe konnte ein Kurzschluss zum Substrat festgestellt werden. Der Prozess soll nun bezüglich nicht ebener Substrate erweitert und qualifiziert werden.

 

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