SPUTTER SPOTLIGHT® E-NEWSLETTER
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Achtung: Wir haben die Herausgabe der nachfolgenden Newsletter temporär suspendiert. Bitte besuchen Sie unsere Referenzen für zusätzliche Informationen oder Themen.


3. Quartal 2008 Sputter Spotlight

 



Die Ausgabe des 3. Quartals des Sputter Spotlight® möchte den Begriff Crazing (zu Deutsch: Haarrissbildung) erklären — um Risse im Furnier zu verursachen, sozusagen — indem die Schlüsselphänomene, die hinter dieser Art von Schaden stecken, beschrieben werden. Dieser zweiteilige Artikel diskutiert die allgemeinen Ursachen und die Gegenmittel für Crazing; er erörtert außerdem eine Reihe von Beispielfällen, die vielleicht nützliche Einblicke und Problemlösungsstrategien bieten. Bitte nehmen Sie sich diesen Newsletter erneut vor, wenn im 1. Quartal 2009 der zweite Teil des Sputter Spotlight „Cracking the Crazing Code“ („Den Crazing-Code knacken“) erscheint.


Den Crazing-Code knacken: Teil eins


Trotz seines wunderlichen Namens ist Crazing ein sehr reales und frustrierendes Problem, mit dem viele Branchen umgehen müssen, darunter Bau- und Fensterglas, FPD und Solar. Es ist ein Phänomen, das scheinbar von einer Aura des Mysteriösen umgeben wird, vielleicht, weil es solch eine große Vielzahl an möglichen auslösenden Faktoren und deswegen auch keine Standardlösung gibt.

Indes ist die optische Erkennung von Crazing meistens überhaupt nicht mysteriös. Obwohl diese Art von Schäden in gewisser Weise auch in ihrer visuellen Erscheinung variieren können, werden Sie es wissen, wenn Sie es sehen: charakteristische Risse, die sich über eine Fläche in blitzartigen Mustern ausbreiten (Abbildung 1). Wenn Sie das nächste Mal auf einer alten, verschlissenen Betonplatte stehen, werden Sie die Ähnlichkeit des Rissmusters unter Ihren Füßen (Abbildung 2) mit dem in einer FPD SiO2 Grenzschicht, die einen Crazing-Schaden hat, erkennen. In der Tat bezieht sich der Begriff „crazing“ im US-amerikanischen Sprachgebrauch auf ähnliche Muster von Rissbildungen bei Keramikmaterialien wie Beton, Geschirr und sogar Zähnen. Es wurde gesagt, dass der Begriff eigentlich aus dem Umfeld des Töpferhandwerks stammt. Ungeachtet der Herkunft des Begriffs ist Crazing vielleicht zumindest hinsichtlich der Vielfältigkeit an Bestürzung, die er in einer solch großen Vielzahl von Zusammenhängen und Branchen hervorruft, einzigartig.

 


Crazing ist vielleicht zumindest hinsichtlich der Vielfältigkeit an Bestürzung, die er in einer solch großen Vielzahl von Zusammenhängen und Branchen hervorruft, einzigartig.

 



Abbildung 1. Crazing auf einem Dünnfilm

Abbildung 1. Crazing auf einem Dünnfilm



Abbildung 2. Crazing auf einer Betonplatte

Abbildung 2. Crazing auf einer Betonplatte

Bei einem Dünnfilm können die Muster an signifikanter Ausdünnung und Rissen, die charakteristisch für Crazing sind, katastrophale Gerätefehler nach sich ziehen, wenn sie nicht frühzeitig entdeckt werden. Ob nun glücklicher- oder unglücklicherweise (abhängig von Ihrem Standpunkt) ist Crazing, wenn es auftritt, üblicherweise dramatisch genug, um offensichtlich zu sein, bevor das betroffene Gerät zu weit im Fertigungsprozess vorankommt. Dennoch ist es offensichtlich eine ungenügende Strategie, mit dem Problem umzugehen, nachdem es aufgetreten ist. Wie bei jeder anderen Form von Filmschädigung auch muss beim Crazing die Entstehungsursache zweifelsfrei geklärt werden, um einen Weg zu finden, den Mangel zu beseitigen.

Prozessdiagnose und Reparatur

In den meisten Fällen bezieht sich der Begriff einer unerwünschten elektrischen Entladung auf ein Phänomen, das an der Kathodenoberfläche auftritt und das gemeinhin als Arcing bezeichnet wird. Dem wird üblicherweise mithilfe einer Reihe von gegebenen und bekannten Lösungsmethoden entgegengewirkt: effektive Stromversorgungs-Arcmanagement-Technologie und sonstige geläufige Prozessanpassungen. Allerdings tritt beim Crazing die zerstörerische elektrische Entladung nicht an der Kathodenoberfläche, sondern auf anderen entfernten Oberflächen wie der Schirmung, den Trägern oder schlimmstenfalls auf dem Substrat auf. Elektrische Entladungen auf der Substratoberfläche können nicht entdeckt werden, geschweige denn von irgendeiner Form von Stromversorgung unterbunden werden, so intelligent deren Arcmanagement-Technologie auch sein mag. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass es mitunter zu keinerlei drastischer Spannungs- oder Stromänderung an der Kathode kommt. Somit hat die Stromversorgung keine Möglichkeit, die Entladung zu entdecken.

 


In den meisten Fällen bezieht sich der Begriff der unerwünschten elektrischen Entladung auf ein Phänomen, das an der Kathodenoberfläche auftritt und das gemeinhin als Arcing bezeichnet wird. Allerdings tritt beim Crazing die zerstörerische elektrische Entladung nicht an der Kathodenoberfläche, sondern auf anderen entfernten Oberflächen wie der Schirmung, den Trägern oder schlimmstenfalls auf dem Substrat auf.

 



Abgesehen davon, dass Arcmanagement-Technologie nicht greift, wenn es zu Crazing kommt, sind Prozessdiagnose und Reparatur besonders schwierig und zeitintensiv im Vergleich zu anderen Arten der Filmschädigung. Das liegt daran, dass eine Vielzahl von Phänomenen Crazing verursachen können. Darüber hinaus nimmt nach der Diagnose das Ausdenken einer Lösung und das zugehörige Testen noch viel Zeit in Anspruch. Im Gegensatz zu den meisten Fällen von Arcing an der Kathode können die Crazing verursachenden elektrischen Entladungen auf der Substratoberfläche nicht mit einem vorgegebenen Satz bekannter Methoden gelöst werden. Die heutigen Anforderungen hinsichtlich hoher Durchsatzmengen und kleiner Baugrößen erfordern besondere Systemdesigns und -bedingungen, die unbeabsichtigt zu Crazing führen können. Darum ist normalerweise eine hart erarbeitete, kundenspezifische Lösung nötig, da die Systembedingungen normalerweise von Prozess zu Prozess unterschiedlich sind.

 


Im Falle von Crazing ist normalerweise eine hart erarbeitete, kundenspezifische Lösung nötig, da die Systembedingungen normalerweise von Prozess zu Prozess unterschiedlich sind.

 



Obwohl jeder Fall von Crazing einzigartig ist, können die folgenden Beispiele von Ursachen und Lösungen von Crazing ein wenig an allgemeinen Einblicken und Strategien bieten, die Sie auf Ihre eigene Situation anwenden können. Zumindest machen diese Fälle die Aussicht auf eine Lösung des Crazing-Problems in einem beliebigen Prozess etwas weniger beängstigend.

Gängige Ursachen für Crazing

Zu den Hinweisen, die helfen, die Bedingungen aufzuspüren, die Crazing in einem gegebenen Prozess auslösen, gehören die folgenden:

  • Die genaue Position der Beschädigung auf der Filmoberfläche
  • Das spezifische Aussehen der Beschädigung
  • Die Art der Ausbreitung

Der folgende Abschnitt beschreibt eine wichtige mögliche Quelle für Crazing. Ebenfalls dazu gehören die Symptome, die meist mit dem gegebenen veranlassenden Faktor sowie eine detaillierte Erläuterung des Problems und Vorschläge für die Behebung in Verbindung gebracht werden. Weitere Ursachen für Crazing werden in der Ausgabe des 1. Quartals 2009 diskutiert.


Fehlende Kammerreinheit

Symptome:

  • Schaden über das Substrat verteilt
  • Charakteristische „Crazing“-Spuren im optischen Erscheinungsbild
  • Relativ plötzliches Einsetzen des Schadens nach einer langen Periode zufriedenstellender Filmqualität

Der Aufbau des Filmmaterials auf den Kammeroberflächen ist vielleicht die häufigste Ursache für Crazing. Im Falle eines metallischen Films schafft dieses Gefüge unerwünschte elektrische Leitwege, die dort zu elektrischer Entladung führen, wo Sie sie nicht haben möchten. Aufgrund seiner Fähigkeit, eine elektrische Ladung aufzunehmen oder zu bilden, kann eine dielektrische Filmschicht unerwünschte Entladungen verursachen. Normalerweise ist Crazing das Ergebnis, wenn es zu dieser Art Entladungen auf der Substratoberfläche kommt.

Fehlende Reinheit ist höchstwahrscheinlich die Ursache für Crazing, wenn ein System für eine bestimmte Zeit zufriedenstellend lief und dann plötzlich Filme mit Crazing-Erscheinungen produziert. Ein neues System ist natürlich völlig sauber und frei von jeder Art von Materialansammlungen. Indes findet, sobald das System in Betrieb geht, Materialkondensation auf allen Oberflächen in der Kammer statt. Mit der Zeit baut sich eine Materialdeposition auf, bis sie dick genug ist, eine Brücke zwischen den Komponenten zu bilden. Ist diese Schicht metallisch, so schafft sie unerwünschte elektrische Leitwege. Diese Leiter können dann die Verbindung zwischen Substrat und Masse herstellen, was elektrische Entladung auf der Substratoberfläche fördert und schließlich zu Crazing führt. Beim durch dielektrische Materialansammlung verursachten Crazing bildet sich mit der Zeit ein nicht leitender Film, beispielsweise eine SiO2-Ansammlung auf den Kammerkomponenten, also auf der Schirmung oder dem Träger. Diese Komponenten werden elektrisch geladen und entladen sich aufgrund ihrer Nähe über das Substrat. Substrat-Crazing kann auch vom umgekehrten Prozess herrühren, wobei ein elektrisch geladenes Substrat sich über einen geerdeten Träger, eine Walze oder eine andere benachbarte Kammerkomponente entlädt.

Natürlich sind die oben beschriebenen Phänomene nicht auf unbenutzte, neue Systeme, die noch nie in Betrieb waren, beschränkt. Das Gleiche kann auch bei einem älteren System passieren, wenn deutlich Zeit seit der letzten Reinigung verstrichen ist.

Um das Problem des durch Materialansammlung ausgelösten Crazing zu lösen, ist es notwendig, die Beschichtung von allen kammerinternen Oberflächen physikalisch zu entfernen. Obwohl die meisten Fabriken ihre Kammern zu Vermeidung von Crazing reinigen, sobald die Targets erneuert werden, kann eine häufigere Reinigung erforderlich sein.

Bitte beachten Sie, dass eine Filmansammlung jeden der veranlassenden Faktoren, die wir in der Ausgabe des 1. Quartals 2009 beschreiben werden, verschlimmern kann. Es ist also empfehlenswert, die Kammer beim ersten Anzeichen von Crazing zu reinigen, selbst, wenn zusätzliche Ursachen vorliegen.

Fazit

Bitte lesen Sie auch die Q1 2009 Ausgabe, in der wir ein umfangreich bebildertes Fazit dieses Artikels und weitere Fälle von und Lösungen für Crazing liefern. Bis dahin fragen Sie Doug Pelleymounter unter Sputtering@aei.com oder Ken Nauman unter Ken.Nauman@aei.com, wenn Sie weiterführende Informationen oder Hilfe beim Finden der Ursache für Crazing in Ihrem Prozess benötigen.







Fragen Sie Doug!

Doug Pelleymounter photo

Doug Pelleymounter ist Senior Application Engineer bei Advanced Energy und besitzt über 33 Jahre praktische Erfahrung beim Arbeiten mit allen Arten von schwierigen Sputteringanwendungen. Er liefert wichtige Beiträge für AEs PV Sun Times® und den Sputter Spotlight® E-Newsletters. Schreiben Sie ihre Sputteringanwendungsfragen per E-Mail an Doug unter Sputtering@aei.com.

  1. Ich habe eine Frage zu Pinnacle® Plus+ 5 kW (325 bis 650 VDC). Wir setzen es für ein kleines 3"-Molybdän-Target (im DC-Modus) mit einem Magnetron zum Sputtern von Molybdänfilmen ein. Allerdings läuft unser derzeitiger Prozess mit 300 W (bei ca. 400 VDC; 0,75 A), was deutlich unter der angegebenen Reproduzierbarkeit („0,1% von 10% bis 100% der Nennleistung“). Ich bin etwas beunruhigt hinsichtlich der Gesamtstabilität des Prozesses. Können Sie mir etwas zur Ausgangsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit des 5 kW Netzteils bei einer Leistung von nur 300 W sagen? Wäre es besser, ein 500 W DC-Modell einzusetzen?
  2. Wie weit entfernt müssen die Magnetrons entfernt sein, wenn man ein AC-Netzteil und ein duales Magnetronsystem (DMS) verwendet?
  3. Welche Leistung kann ich von einem dualen Magnetronsystem und einer AC-Stromversorgung im Vergleich zu einer DC-Stromversorgung und einem einfachen Magnetron erwarten?

  1. Ich habe eine Frage zu Pinnacle® Plus+ 5 kW (325 bis 650 VDC). Wir setzen es für ein kleines 3"-Molybdän-Target (im DC-Modus) mit einem Magnetron zum Sputtern von Molybdänfilmen ein. Allerdings läuft unser derzeitiger Prozess mit 300 W (bei ca. 400 VDC; 0,75 A), was deutlich unter der angegebenen Reproduzierbarkeit („0,1% von 10% bis 100% der Nennleistung“). Ich bin etwas beunruhigt hinsichtlich der Gesamtstabilität des Prozesses. Können Sie mir etwas zur Ausgangsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit des 5 kW Netzteils bei einer Leistung von nur 300 W sagen? Wäre es besser, ein 500 W DC-Modell einzusetzen? –Jörg Winkler
    Antwort: a, das ist ein Problem. Obgleich die Pinnacle Stromversorgung und ihre Verwandten, die Pinnacle Plus+ Netzteile tatsächlich „unverwüstlich“ sind, möchte ich sie hier nicht empfehlen. Stromversorgungen von AE sind Stromquellen und benötigen eine bestimmte Stromstärke, um ihre Schaltungen daran auszurichten. Ich kenne noch ein paar Leute, die versucht haben, Pinnacle Plus+ auf eine derart niedrige Leistung herunterzuregeln und dann seltsame und wundersame Dinge in ihren Prozessen erlebten. Der Strom ist zu niedrig für die Regelschaltungen und die Genauigkeit bewegt sich bei dieser geringen Leistung im Bereich von 5%. Die Reproduzierbarkeit könnte ebenfalls nicht ausreichend sein, da die Versorgung vielleicht denkt, sich in einer konstanten Bogenentladung zu befinden.

    Ich stimme Ihnen zu, dass Sie ein 3 kW Pinnacle oder ein MDX 1,5 kW mit Sparc-le® V verwenden sollten. Wir wissen, dass das Sparc-le V lediglich 110 bis 150 W benötigt, um „warmzulaufen“. Damit sollten Sie die entsprechenden Einstellungen und eine deutlich verbesserte Reproduzierbarkeit hinbekommen.




  2. Wie weit entfernt müssen die Magnetrons entfernt sein, wenn man ein AC-Netzteil und ein duales Magnetronsystem (DMS) verwendet?
    Antwort: Eine wirklich gute Frage. Wenn Sie Planarmagnetrons verwenden, können Sie einen Abstand von 2,5 cm (1″) bis 1 m (3') einhalten. Das Wichtigste ist, dass Sie einen guten Leitweg für den Elektronfluss zwischen den beiden Magnetrons brauchen. Nur die Dunkelraumschirmung darf sich im Elektron-Flussbereich befinden. Wenn Sie Planarmagnetrons nebeneinander anordnen möchten (d. h. in die gleiche Richtung zeigend oder leicht zueinander geneigt), müssen Sie „die Reifen wechseln“ — das heißt, die Targetseiten vertauschen oder sie im selben Magnetron drehen, da die dem anderen Magnetron nächstliegende Laufbahn sich sehr schnell abnutzt, was die Target-Nutzung verringert.




  3. Welche Leistung kann ich von einem dualen Magnetronsystem und einer AC-Stromversorgung im Vergleich zu einer DC-Stromversorgung und einem einfachen Magnetron erwarten?
    Antwort: Nehmen wir an, dass die DC-Stromversorgung ständig eingeschaltet ist und deshalb 100% Depositionsanteil erzielt, dann kommt eine AC-Stromversorgung mit einem DMS auf rund 80 bis 85% davon, da es beim Sputtering die Magnetrons wechselt und Null durchläuft. Aufgrund des permanent wechselnden AC-Signals kann es den Magnetrons kein konstantes Signal für das Sputtering liefern. Bei der Annäherung an Null nimmt das Sputtering ab und beim eigentlichen Nulldurchgang hört das Sputtering auf. Das andere Magnetron muss das Feuer wieder entzünden, somit eilt der Strom hier nach.
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