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PECVD-Prozess: Robuste Schichten auf flexiblen Materialien

Das fraunhofer FEP arbeitet verstärkt daran, PECVD-Prozesse für eine hohe Produktivität und den effizienten Einsatz in Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlagen zu optimieren. Diese erlauben die großflächige, kosteneffiziente Beschichtung von flexiblem Trägermaterial.

Folie mit transparenter Barriereschicht Bildquelle: © Fraunhofer FEP

Folie mit transparenter Barriereschicht

Wearables, gebogene Displays oder Gebäudefassaden fordern immer häufiger biegbare, flexible Oberflächen mit ganz bestimmten Funktionen oder Eigenschaften. Dazu gehören neben Schichten zur Verminderung der Gaspermeation, zum Schutz vor Chemikalien, Strahlung oder mechanischer Belastung auch leitfähige Schichten, oder Schichten mit speziellen optischen Eigenschaften. Diese werden durch Beschichtung der Oberflächen mit dünnen funktionalen Schichten erreicht. Die Erhöhung der Produktivität und der Effizienz der Beschichtungsprozesse ist ein wesentlicher Schwerpunkt der anwendungsnahen Forschung.

Ein solcher Beschichtungsprozess ist die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung – PECVD. Im Gegensatz zu herklömmlichen Verfahren setzt das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP auf Magnetrons und insbesondere Hohlkathoden als Plasmaquelle. »Mit dem hohlkathodengestützten PECVD-Prozess konnten wir ein breit einsetzbares Werkzeug zur Abscheidung von teilorganischen Plasmapolymerschichten auf flexiblen Substraten entwickeln, welches nicht nur Beschichtungsbreiten von bis zu 4 Metern erlaubt, sondern auch direkt mit anderen Verfahren wie Sputtern und Verdampfen in einer Anlage kombiniert werden kann«, sagt Michiel Top, Projektleiter im Bereich Flache und Flexible Produkte am Fraunhofer FEP.

Feine Einstellung der Schichteigenschaften

Für siliziumhaltige Plasmapolymerschichten wurden dynamische Beschichtungsraten bis zu 3000 Nanometer pro Meter und Minute erreicht. Dieser Wert liegt um einen Faktor 5-10 über dem, was bisherige Verfahren, wie z. B. die Mikrowellen-PECVD erreichen. Plasmapolymerschichten bieten einen guten Schutz für darunterliegende Funktionsschichten gegen chemischen Angriff (Säuren und Salze) oder gegen mechanische Beanspruchung, wie sie z. B. im Wickelprozess bei der weiteren Verarbeitung der Materialien in Rolle-zu-Rolle-Verfahren auftreten. Auch wurde nachgewiesen, dass die Wasserdampfdurchlässigkeit einer anorganischen Barriereschicht durch die Inline-Abscheidung einer polymerartigen Schutzschicht um bis zu 50 % verringert werden kann.

Der Prozess erlaube eine sehr feine Einstellung der Schichteigenschaften (Zusammensetzung, Härte oder Brechungsindex) und der Beschichtungsrate in einem vorgegebenen Rahmen. Dies ermöglicht z. B. in Kombination mit Sputterverfahren die Inline-Abscheidung mehrerer Schichten eines optischen Interferenzschichtsystems in einem Durchgang und spart so Prozessschritte und damit Geld.

Als nächste Aufgabe sehen die Forscher die weitere Optimierung des Prozesses und der Schichten für verschiedene Anwendungsszenarien z. B. in flexiblen elektronischen Bauelementen in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern im Maschinenbau, Beschichtungsdienstleistern und weiteren Anwendern. So lässt sich in naher Zukunft eine Überführung des Prozesses in die Produktion erreichen. (me)

Eine Anordnung von Hohlkathoden wird in der Industrie schon erfolgreich eingesetzt für Beschichtungsbreiten bis zu 2,85 m Bildquelle: © Fraunhofer FEP

Eine Anordnung von Hohlkathoden wird in der Industrie schon erfolgreich eingesetzt für Beschichtungsbreiten bis zu 2,85 m