DD157808A1 - Verfahren zur steuerung der schichtzusammensetzung von verbindungsschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Schichtzusammensetzung von Verbindungsschichten, die mit Hilfe des reaktiven Plasmatronelementzerstaeubens aufgebracht werden. Die Aufgabe, Materialien mit einer nicht reproduzierbaren Kennlinie im U-I-Diagramm der Entladung zu zerstaeuben und eine sehr geringe Schwankung der Schichteigenschaften einzuhalten, wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass bei konstant gehaltenem Reaktivgas- und Traegergasdurchsatz im Rezipienten die Zerstaeubungsrate des Targets, welches einen nicht reproduzierbaren Kennlinienverlauf im U-I-Diagramm der Entladung aufweist und der Reaktivgaspartialdruck im Rezipienten durch Fixierung - bzw. definierte Variation entlang der Lastkennlinie des Stromversorgungsgeraetes - eines Arbeitspunktes im U-I-Diagramm der Entladung des Targetmaterials,welches einen reproduzierbaren Kennlinienverlauf aufweist, entsprechend einer vorher eichbaren gewuenschten Schichtzusammensetzung konstant gehalten - bzw. definiert geregelt - wird.

Description

L I 8 Ö I /

Steenbeck, Dr. Dipl.-Phys. Klaus. G 23 C 15/00 Steinbeiß, Dr. Dipl.-Phys. Erwin P 806/a Ufert, Dr. Dipl.-Phys. Klaus-Dieter 30. März 1931

Titel der Erfindung . . ·

Verfahren zur Steuerung.der Schichtzusammensetzung von Verbindungsschichten "

Anwendungsgebiet 'der Erfindung :

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur:Steuerung der Schichtzusammensetzung von Verbindungsschichten. Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt Anwendung bei der Herstellung von Verbindungsschichten unter Verwendung des reaktiven Piasmatronelementzerstäubens, insbesondere wenn Materialien, die durch Bildung von Maskierungsschichten leicht zu einem instabilen Sputterprozeß neigen, eingesetzt werden. .. .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen" Es ist bekannt, daß Schichten aus chemischen Verbindungen häufig sehr vorteilhaft durch reaktives Zerstäuben von Elementtargets mit Plasmatronzerstäubungsvorrichtungen im de-Betrieb hergestellt werden können. In vielen Fällen bietet dabei die Spannungs(U)-Strom(I)-Abhängigkeit der Gasentladung die Möglichkeit, die Schichtzusammensetzung aus Target- und Reaktivgaskomponente mit Hilfe .des Arbeitspunktes (U_A, i£) gezielt und reproduzierbar einzustellen. Dabei wird vorteilhafterweise der gesetzmäßige Zusammenhang zwischen diesen Kennlinienparametern und den Verfahrensparametern (Salm, J.; Steenbeck, K; Steinbeiß, E.: Current-Voltage Characteristic of Reactive Sputtering with Element Targets/phys. stat. sol. (a) 54,, K23 (1979)) bei konstantgehaltenem Reaktivgasdurchsatz ausgenutzt (Beiträge zur 7. Tagung Hochvakuum, Grenzflächen/Dünne Schichten Bd II

S.' 292 - 95, Dresden 1981). Es gibt jedoch eine Reihe von Targetmaterialien, deren Oberfläche unter bestimmten Betriebsbedingungen durch Wechselwirkung mit der Reaktivgaskomponente chemische Veränderungen (Bedeckung mit Schichten der chemischen Verbindungen mit der Reaktivgaskomponente) erfahren, die den oben genannten gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen Kennlinienparametern und Verfahre ns parairn; er η in Abhängigkeit vom Vorsputterregime oder während des Sputterprozesses verändern, so daß. zusätzliche, z. T. sehr aufwendige Regelungssysteme verwendet werden müssen« Zur Vermeidung dieser sogenannten "Maskierungsschichten¹¹ und ihrer schädlichen Auswirkungen sind verschiedene Verfahrensmaßnahmen und Vorrichtungen bekannt geworden (Senkung des Reaktivgasdruckes bei Erhaltung des Reaktionsgrades der Schichten mit Hilfe einer intermittierenden Beschichtung, Verwendung heißer Targets zur Desorption der adsorbierten Reaktivgaskomponente und von Maskierungsschichten DD 139« 137, geeignete Abschirmvorrichtungen, bestimmte Vorsputterprozesse DD 141.532, Verwendung hoher Stromdichten und kleiner Targetflächen DD.142*395). Diese Maßnahmen führen bei einer Reihe von Targetmaterialien (z. B. bei Si) zu einem sehr stabilen und reproduzierbaren Sputterbetrieb. Bei anderen Substanzen (z. B₀ bei Ti) lassen sich jedoch unter bestimmten Betriebsbedingungen die genannten Maskierungseffekte nicht völlig vermeiden, so daß sich die Zerstäubungsrate zeitlich verändert. Damit ergeben sich bei der Herstellung von Mischschichten (z. B. Mischoxiden) durch gleichzeitiges Berstäuben der Einzelkomponenten von zwei oder mehreren Targets in reaktiver Atmosphäre, schwierige Regelprobleme zur Konstanthaltung der Schichtzusammensetzung, Diese werden noch besonders durch die gegenseitige Beeinflussung der Targets über die im gemeinsamen Reaktionsraum ablaufenden Reaktivgas-Getterprozesse erschwert.

Es ist das - Ziel der'Erfindung, ein einfaches Steuerverfahren für „reaktive Piasmatrone lerne nt zerstäubungsverfahren

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anzugeben, welches die Mängel "des Stands der Technik behebt. .

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,'ein Verfahren zur -Steuerung der Schicht zusammensetzung von Verbindungsschichten unter Anwendung der reaktiven Piasmatronelementzerstäubungstechnik bei Verwendung von Targetmaterialien, die einen ungenügend stabilen Kennlinienverlauf im U-I-Diagramm der Entladung aufweisen, anzugeben. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,-welches die Herstellung von•Verbindungsschichten, die sich zu einem Teil aus Materialien zusammensetzen, die einen ungenügend stabilen Kennlinienverlauf im ¹U-I-Diagramm der Entladung aufweisen, ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei konstant gehaltenem Reaktivgas- und Trägergasdurchsatz im Rezipienten die Zerstäubungsrate des Targets, welches einen nicht reproduzierbaren Kennlinienverlauf im U-I-Diagramm der En-tladung aufweist .und der Re aktivgas part ialdruck im Rezipienten durch Fixierung - bzw. definierte Variation entlang der Lastkennlinie des Stromversbrgungsgerätes - eines Arbeitspunktes im U-I-Diagramm der Entladung des Targetmaterials, welches einen reproduzierbaren Kennlinienverlauf aufweist, entsprechend einer vorher eichbaren gewünschten Schichtzusammensetzung konstant gehalten - bzw. definiert geregelt - wird. Als Materialien, die einen reproduzierbaren Kennlinienverlauf von n-Typ aufweisen, werden vorzugsweise Si oder Al verwendet. Als Materialien, die einen nicht reproduzierbaren Kennlinienverlauf aufweisen, kommen insbesondere Ti oder Ta in Präge. Erfindungsgemäß wird derart verfahren, daß sich die durch unkontrollierbare Maskierungseffekte, bzw. deren ' zeitliche Veränderung, des Targets, welches bei konstantem. Reaktivgasdurchsatz über eine nicht reproduzierbare Kennlinie verfügt (Target 2), ergebenden Änderungen der Zerstäubungsrate und damit über den Gettereffekt bedingte-

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Reaktivgaspartialdruckänderungen, an der Lage des Arbeitspunktes des Targets, welches eine reproduzierbare Kenn*- linie bei konstantem Reaktivgasdurchsatz aufweist (Target 1), registriert werden und sofort über übliche Steuer- und Regelvorrichtungen eine Nachregelung des Targets 2 entsprechend dem Arbeitspunkt im U-I-Diagramm der Entladung des Targets 1, der einer vorher eichbaren gewünschten Schicht-· zusammensetzung entspricht, erfolgt» Ebenso ist eine Nachregelung entsprechend einem Programm möglich, wodurch sich gewünschte Änderungen in der Schichtzusammensetzung herstellen lassen, z_e B„ zur Realisierung von Brechzahlprofilen mit Hilfe von TiSi-Mischoxidschichten. Je nach gewünschtem Anwendungsfall kann das Target 1 in die Schichtbildung mit einbezogen werden (Herstellung von Mischschich-. ten) oder mit einer Blende abgeschirmt werden, so daß.nur das Target. 2 an der Schichtbildung beteiligt ist, und so das Target 1 nur zur Steuerung der das Target 2 tragenden Piasmatronvorrichtung verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Steuerverfahren soll anhand folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die beiliegende Figur zeigt die Kennlinienverläufe der verwendeten Plasmatronvorrichtungen₀ In einer üblichen Hochvakuumanlage sind zv/ei Plasmatrons vom planaren Typ nebeneinander im Abstand von ca. 15 cm aufgestellt. Das eine Plasmatron (zur Kennlinie 1 gehörig) wird, mit einem Si-Target von 5 cm Durchmesser betrieben und das andere Plasmatron (zur. Kennlinie 2 gehörig) mit einem etwa.gleichgroßen Ti-Target. Im Abstand von 5 cm über den Targets ist eine'mit ca. 20 Umdrehungen pro Minute rotierende Substrathalterung angeordnet. Das Reaktivgas Sauerstoff und das Inertgas Argon v/erden über. getrennte Nadelventile ei-ngelassen, deren konstante Einstellung während des Versuches konstante Gasdurchsätze D_n-(Durchsatz von Sauerstoff) und D₄ (Durchsatz ν .Kr

von Argon) gewährleisten. Nach Auspumpen des Rezipienten auf ca, 10"-⁵ Torr werden Saugleistung und Gasdurchsätze

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so eingestellt, daß sich für das Si-Target die gewünschte reproduzierbare U-I-Kurve einstellt (gestrichelte Kurve in Pig.). Im dargestellten Pail betragen D_n =1 Pal/s, D. = 2 Pa l/s und der Ge samt druck im Rez'ipienten 0,6 0,9 Pa. Die Versorgungssp.annung U. für das Target (Si) wird anschließend so eingestellt,- daß der Arbeitspunkt A-auf der gestrichelten Kurve erreicht wird und im weiteren . ' Verlauf des Versuchs nicht mehr verändert. Durch Zünden des Titan-Targets und weitere Erhöhung seiner Versorgungsspannung LL wird eine Verlagerung des zum Si-Target gehörenden Kennlinienpunktes A- längs einer durch den Targetvorwiderstand R- festgelegten Geraden zu dem gewünschten Arbeitspunkt B- hervorgerufen. Jetzt werden die Blenden zwecks Substratbeschichtung geöffnet und die Versorgungsspannung Uo während der Beschichtungszeit stets so nachgeregelt, daß der Arbeitspunkt B- unverändert -bleibt. Während dieses Regelvorganges ergeben sich für das Titan-Target Strom-Spannungswerte zwischen den Punkten Bp und Cp₅ welche die nicht reproduzierbaren Targetvorgänge widerspiegeln und für den Beschichtungsprozeß unwesentlich sind. Die Zusammensetzung der hergestellten Schichten ist in weiten Grenzen frei wählbar und reproduzierbar und wird bei festgelegter gestrichelter Kennlinie 1 durch die Wahl des -Arbeitspunktes B- bestimmt. Zweckmäßigerweise arbeitet man bei konstantem Vorwiderstand R- und geht für kleine Si-Anteile in den hergestellten Schichten von solchen 'Punkten A^ aus, die bei niedriger Spannung liegen, für hohe Si-Anteile von solchen bei hoher Spannung. Je geringer der. Strom eines Arbeitspunktes B- ist, der längs einer von festem A- ausgehenden Widerstandsgeraden gewählt wird, desto größer ist der Ti-Gehalt der Schicht. Um. Schichten mit kleinerem Sauerstoff anteil herzustellen,' ,. muß der Punkt A- bei hohen Spannungen bzw. der Punkt B-zu kleinen Strömen verlagert werden. In beiliegender Pig. werden die Bedingungen zur Herstellung von Ti_n -,Si_{n 7}0_o-Schichten mit einer Abseheidungsrate von 0,5 /um/h dargestellt. Sauerstoffgehalt sowie das Ti:Si-Verhältnis

werden durch optische Meßverfahren an Schichten auf Quarzsubstraten überprüft.

Durch Überdecken des Si-Targets können auch Titanoxidschichten in der gleichen Weise hergestellt werden, daß Si-Target dient dabei nur zur Steuerung des Ti-Targets«

Claims (4)

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   Erf indungsansprüche · ·

   1. Verfahren zur Steuerung der Schichtzusammensetzung von Verbindungsschichten - 'bestehend aus wenigstens 2 Komponenten, wovon eine einem Reaktivgas entstammt - beim reaktiven Plasmatronelementzerstäuben wenigstens zweier von getrennten Piasmatronvorrichtungen stammenden Targetmaterialien im gleichen Rezipienten, gekennzeichnet dadurch, daß bei konstant gehaltenem Reaktivgas- und Trägergasdurchsatz im Rezipienten die Zerstäubungsrate des Targets, welches einen nicht reproduzierbaren

   Kennlinienverlauf im Spannungs(U)-Strom(I)-Diagramm , der Entladung aufweist und der Reaktivgaspartialdruck im Rezipienten durch Fixierung - bzw. definierte Va-

   _rriation entlang, der Lastkennlinie des Stromversorgungsgerätes - eines Arbeit'spunktes im U-I-Diagramm der Entladung des Targetmaterials, welches einen reproduzierbaren Kennlinienverlauf aufweist, entsprechend einer vorher eichbaren gewünschten Schichtzusammensetzung konstant gehalten - bzw. defin.iert geregelt - wird. .
2. 2. Verfahren nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, rdaß die Piasmatronvorrichtung, die das Target mit dem reproduzierbaren Kennlinienverlauf im U-I-Diagramm der.Entladung trägt, nur zur Steuerung der anderen Piasmatronvorrichtung verwendet wird, und die von ihm abgestäubten Partikel nicht in die wachsenden Schichten eingebaut werden.
3. 3. Verfahren nach Pkt. 1 -und 2, gekennzeichnet dadurch, daß für das Target mit dem reproduzierbaren Kennlinienverlauf im U-I-Diagramm der Entladung, vorzugsweise Si oder Ai verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Pkt. 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß für das Target mit dem nicht reproduzierbaren Kennlinienverlauf im U-I-Diagramm der Entladung vorzugsweise Ti oder Ta verwendet-wird.