Ines Dani Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden Abteilung CVD Technologie / Arbeitsgruppe Atmosphärendruck-PECVD

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1 Atmosphärendruck-PECVD zur Großflächenbeschichtung Fraunhofer IWS Ines Dani Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden Abteilung CVD Technologie / Arbeitsgruppe Atmosphärendruck-PECVD Motivation Verfahren Ο Mikrowellen-PECVD Ο ArcJet-PECVD Schichteigenschaften (SiO 2, TiO 2 ) erstellt: Seite 1

2 Motivation für PECVD bei Atmosphärendruck Großflächenbeschichtung; kostengünstiger Prozess Atmosphärendruck In-line Prozesse geringe Anlagenkosten Substrattemperaturen < 400 C Erweiterung der CVD-Anwendungen Beschichtung von Plastik, Glas, Stahl, erstellt: Seite 2

3 Charakteristik AP-PECVD Atmosphärendruck-PECVD zur Großflächenbeschichtung Remote-Plasma-CVD offener Durchlaufreaktor, kontinuierliche Beschichtung skalierbare Arbeitsbreite (z.zt. bis 450 mm ) Beschichtungsraten, statisch 100 nm/s, dynamisch ca. 1.5 nm/m/s Plasmagase: N 2, Ar, O 2, H 2 (kein Elektrodenkontakt) kontrollierte Beschichtungsatmosphäre nichtoxidische Schichten anorganische Schichten: SiO 2, TiO 2, a-c:h, erstellt: Seite 3

4 Mikrowellen-PECVD Substrat Beschichtung Plasma Plasma Plasmagas Im Einsatz: Cyrannus 6 Remot e-plasma Precursor Mikrowelleneinkoppelung Remote Precursoraktivierung: Keine Kontaminationen in der Plasmaquelle und Plasmakammer Precursoraktivierung und Reaktion zu schichtbildenden Spezies direkt an der Substratoberfläche Geringe Pulverbildungstendenz erstellt: Seite 4

5 Fluiddynamische Simulation des Beschichtungsvorganges Strömungsdynamik im µw PECVD Reaktor Strömungsführung Homogenität über Substratbreite Temperatur-/Konzentrationsfelder Beschichtungsrate erstellt: Seite 5

6 Fluiddynamische Simulation - Strömungsführung Temperaturverteilung Gasströmung erstellt: Seite 6

7 Fluiddynamische Simulation - Konzentrationsfelder Prozessgasströme an der Substratoberfläche einer Einzeldüse Einzeldüse Precursor Plasma Aktivierter Precursor erstellt: Seite 7

8 Fluiddynamische Simulation Beschichtungsrate Einzeldüse Simulation Schichtabscheidung reale Schichtabscheidung (statisches Düsenfeld) erstellt: Seite 8

9 ArcJet-PECVD im Einsatz: LARGE III (150 mm Breite) skalierbar z. Zt. bis 450 mm Transversaler Brenner: Gasstrahl senkrecht zum Plasmastrahl Kathode Cathode Plasmagas ARC ARC Anode Anode Abgas Precursor Substrat Precursor Remote-Plasma plasma Beschichtung erstellt: Seite 9

10 Substrattemperatur (IR-Kamera) mittlere Substrat-Oberflächentemperatur 110 C während der Beschichtung Atmosphärendruck-PECVD zur Großflächenbeschichtung Dynamische ArcJet-Beschichtung auf Flachglas Substratbewegung Beschichtungszeit: 90 s Schichtdicke: ca. 100 nm Temperature ϑ / C ROG, Su bstrat tem p.op j, erstellt: Seite t i m e / s

11 Schichteigenschaften SiO 2 auf mc-si-wafer Oberflächenmorphologie (AFM) dichte Schichten ebene Schichtoberfläche, unabhängig von Schichtdicke: R a < 2,5 nm Optische Eigenschaften (UV-VIS- Ellipsometrie) transparente dielektrische Schichten, Absorption = 0 Brechungsindex (500 nm) = 1,46 Brechungsindex n 1,60 1,55 1,50 1,45 AFM-Aufnahme einer 1,40 40 nm SiO 2 -Schicht 1,35 SiO 2 abgeschieden mittels Mikrowellen AP-CVD Brechungsindex AFM-Aufnahme Extinktionskoeffizient einer 120 nm SiO 2 -Schicht Wellenlänge / nm SiO 2 Literaturangabe Palik Brechungsindex Extinktionskoeffizient 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00-0,05 Ext inktionskoeff izient k erstellt: Seite 11

12 SiO 2 - Schichtstruktur FTIR-Transmissionsmessungen stöchiometrisches SiO 2 geringer Gehalt an OH- Gruppen keine organischen Anteile keine Kohlenstoff- oder Stickstoffverunreinigungen Atmosphärendruck-PECVD zur Großflächenbeschichtung Absorpt ion A 0,3 0,2 0,1 0,0 LIS, µw_ftir_absorption_si.opj, nm SiO nm SiO 2 75 nm SiO 2 40 nm SiO cm -1 Si-OH 1250 cm -1, 1080 cm -1 ν Si-OH 950 cm cm -1, 820 cm Wellenzahl n / cm -1 Si-O erstellt: Seite 12 ν Si-O γ Si-OH Si-O γ Si-O Si-CH 600 cm -1 Si-Si ν Si-Si

13 SiO 2 auf Stahl - Morphologie (FE-SEM) Atmosphärendruck-PECVD zur Großflächenbeschichtung SiO 2 auf verzinktem Stahlband genaue Abbildung der Oberfläche unbeschichtet: ZE Stahlband, alkalisch gereinigt Schichtdicke 120 nm Schichtdicke 40 nm erstellt: Seite 13

14 SiO 2 Barriereeigenschaften Elektrochemische Messungen: => Cyclovoltametrie 0,0010 0,0005 0,0000 Fläche unter anodischem Zweig ungeschützter (leitender) metallischer Oberfläche Strom I [ma] -0,0005-0,0010-0,0015 ZE-Standard A 0% Dehnung 120 nm SiO 2 on Zn galvanised steel stripes dichte Barriereschicht -0,0020-0,0025-1,3-1,2-1,1-1,0-0,9-0,8-0,7-0,6-0,5 Potential E [V(SHE)] erstellt: Seite 14

15 TiO 2 -Schichten auf Edelstahl Photokatalytische Eigenschaften Kontaktwinkel 62 Kontaktwinkel 9 Kontaktwinkel < 5 MW28 ohne UV-Bestrahlung nach 10 min UV-Bestrahlung (254 nm) nach 30 min UV-Bestrahlung (254 nm) erstellt: Seite 15

16 Dankeschön Atmosphärendruck-PECVD zur Großflächenbeschichtung Daniela Rogler Liliana Roch Gerrit Mäder Romy Liske Dr. Volkmar Hopfe Beate Leupolt Dr. Bolko Schöneich Dr. Wulf Grählert Carmen Ostwald, TKS Bernd Schuhmacher, TKS erstellt: Seite 16

17 erstellt: Seite 17