Inline-Sputter-Anlage zur Großflächenbeschichtung

In-situ Diagnostik und modellbasierte Regelung von in-line Sputterprozessen für die Großflächenbeschichtung.
© Fraunhofer IST, Rainer Meier, BFF Wittmar

In-situ Diagnostik und modellbasierte Regelung von in-line Sputterprozessen für die Großflächenbeschichtung.

Beispiel einer Low-E-Beschichtung auf Glas. Typischer Aufbau eines Einfach-Silber-Schichtsystems für ein vorspannfähiges Schichtsystem.
© Fraunhofer IST

Beispiel einer Low-E-Beschichtung auf Glas. Typischer Aufbau eines Einfach-Silber-Schichtsystems für ein vorspannfähiges Schichtsystem.

Modulare Anlage

Zur Beschichtung von Glas-, Kunststoff- oder auch von metallischen Substraten in einem Größenbereich von 5 x 5 cm2 bis 60 x 100 cm2 steht am Fraunhofer IST die Inline-Sputter-Beschichtungsanlage Leybold A700v zur Verfügung.

Die Anlage besteht aus insgesamt sieben Kammern, darunter zwei Schleusenkammern für ein schnelles Be- und Entladen. Jedes Beschichtungsmodul enthält eine Sputterstation, die mit maximal zwei unterschiedlichen Targets belegt werden kann. Dadurch wird es möglich, bis zu 10 verschiedene Materialien gleichzeitig zu handhaben und so auch komplexe Schichtsysteme herzustellen. Das Einschleusen der Substrate erfolgt über einen Reinraum, in dem sich auch eine kommerzielle Substratreinigungsanlage befindet. Die Reinigung erfolgt in einer Strecke aus sauren und alkalischen Bädern und einem Becken mit deionisiertem Wasser, in dem die Substrate mit Ultraschall behandelt werden können.

Vielfältige Sputterverfahren

Die Anlage erlaubt das Arbeiten mit sämtlichen gängigen, aber auch mit einigen speziellen Sputterverfahren:

  • DC (engl. direct current )
  • DC-Puls
  • MF (engl. Mid-Frequency)
  • RF  (engl. Radio-Frequency)
  • RF+DC (DC überlagertes RF-Sputtern)
  • HIPIMS (engl. High-Power-Impulse-Magnetron-Sputtering)
  • MF+ HIPIMS
  • Megatron®

Dabei kann jeweils entweder direkt vom keramischen Target oder reaktiv gesputtert werden. Als Reaktivgase werden i.a. Sauerstoff oder Stickstoff verwendet, aber auch Wasserstoff ist möglich. Die Überwachung und Steuerung der reaktiven Prozesse mit Sauerstoff erfolgt mittels Lambdasonden, welche in eine PID-Leistungsregelung eingebunden sind, um so den gewünschten Sauerstoffpartialdruck einzustellen.

In der Regel erfolgt die Prozessführung dynamisch, doch je nach Aufgabenstellung sind auch statische Beschichtungen möglich. Die Schichtdicke wird über die gewählte Leistung und die Carrier-Geschwindigkeit eingestellt. Ein schrittmotorgesteuertes Transportsystem erlaubt dabei eine hohe Genauigkeit. Der Ablauf und die Reproduzierbarkeit wird durch frei erstellbare Programme gewährleistet. Die Anlage kann bei Temperaturen bis 400 °C betrieben werden.

Anwendungsbereiche

  • Neue transparente leitfähige Oxide (engl. transparent conductive oxides, TCOs)
  • Aktive halbleitende Oxide (engl. active semiconductive oxides, ASOs),
  • Low-e-Beschichtungen
  • Interferenzoptik
  • Elektrochromie 

Materialien

Für unterschiedliche Anwendungen steht eine Vielzahl von metallischen und keramischen Targetmaterialien zur Verfügung. Damit lassen sich je nach Prozess entsprechende Metalle, Oxide, Oxinitride und Nitride abscheiden. Weiterhin ist es mit dem ebenfalls am Fraunhofer IST enwickelten Beschichtungsmodul Megatron® möglich, verschiedene Materialien zu mischen. Folgende Beschichtungsmaterialien stehen am Fraunhofer IST zur Verfügung:

Beschichtungsmaterialien

Formeln
Silber, Silber dotiert mit Aluminium, Silber dotiert mit Titan Ag, Ag:Al, Ag:Ti
Aluminium, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid Al, Al2O3, AlN
Bismut dotiert mit Mangan, Bismutoxid dotiert mit Mangan Bi:Mn, Bi2O3:Mn
Chrom, Chromnitrid Cr, CrN
Indiumoxid dotiert mit Zinn (5 oder 10 wt % SnO2 im Target) In2O3:Sn 
Kupfer, Kupferoxid Cu, CuO
Magnesium, Magnesiumoxid Mg, MgO
Nickelchrom Ni:Cr 
Niob, Nioboxid, Niobnitrid Nb, Nb2O5, NbN
Nickelvanadium NiV
Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid Si, SiO2, Si3N4
Silizium dotiert mit Aluminium (10 wt% Aluminium), Siliziumaluminiumoxid, Siliziumaluminiumnitrid Si:Al, SiAlOx, SiAlNx
Zinn, Zinnoxid Sn, SnO2
Zinn dotiert mit Antimon, Zinnoxid dotiert mit Antimon Sn:Sb, SnO2:Sb
Titan, Titanoxid, Titannitrid Ti, TiO2, TiN
Vanadium, Vanadiumnitrid V, VN
Wolfram, Wolframoxid, Wolframnitrid W, WO3, WN
Zink, Zinkoxid,  Zn, ZnO
Zink dotiert mit Aluminium (0,3 bis 1,75 wt% Aluminium) Zn:Al
Zinkoxid dotiert mit Aluminium (verschiedene Al-Dotierungskonzentrationen) ZnO:Al
Zink dotiert mit Gallium (0,5 bis 1,0 wt% Ga) Zn:Ga
Zinkoxid dotiert mit Gallium ZnO:Ga
Zinkzinnoxid (verschiedene Zn:Sn-Atom-Verhältnisse, 50:50 bis 68:32) ZnSnOx
Zinkzinngalliumoxid (Zn:Sn:Ga-Atom-Verhältnis: 62:30:8) ZnSnGaOx
Zirkon dotiert mit Yttrium, Zirkonoxid dotiert mit Yttrium  Zr:Y, ZrO2:Y


Bei Bedarf können auch weitere Targetmaterialien bestellt werden.