DD275883A1 - Verfahren zur homogenen schichtabscheidung mittels bogenentladung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur homogenen plasmagestuetzten Schichtabscheidung mittels Bogenentladung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde mittels Bogenentladung oertlich begrenzte Anodenbereiche so aufzuheizen, dass eine Verdampfung mit hoher Rate bei intensiver Plasmabildung erzielt wird, ohne dass die Anode makroskopisch aufschmilzt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass eine Bogenentladung zwischen einer Katode und der aus dem zu verdampfenden Material bestehenden Anode in bekannter Weise gezuendet und bei so niedriger Stromstaerke aufrecht erhalten wird, dass kein Aufschmelzen und Verdampfen der Anode auftritt. Zur Verdampfung des Anodenmaterials wird in der Folge ein oertlich variierbarer fokussierter Laserstrahlimpuls mit einer derartigen Energiedichte auf die Oberflaeche der Anode geleitet, dass sich am Auftreffort ein oertlich begrenztes dichtes Plasma ausbildet und gleichzeitig ein Hochstromimpuls durch geeignete Mittel zugeschaltet, was im Zusammenwirken zu einer Vakuum-Bogenentladung zwischen dem anodischen Verdampfungsmaterial am Auftreffort des Laserstrahlimpulses und einer Katode fuehrt. Am Auftreffort des Laserstrahles kommt es zur explosionsartigen Verdampfung des Anodenmaterials.

Description

Anwendungrgablet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur homogenen plasmagestützten Schichtabscheidung mittels Bogenentladung. Mit derartigen Verfahren können sowohl reine Metallschichten als auch leitfähige Verbindungsschichten mit hoher Beschichtungsrate abgeschieden werden. Besonders bedeutsam ist das Verfahren für hochwertige optische Schichten.

Charakteristik des bekennten Standes der Technik

Zur plasmagestützten Abscheidung dünner Schichten sind eine Violzahl von Verfahren bekannt geworden. Als vorteilhalt haben sich Verfahren erwiesen, bei denen das Beschichtungsmaterial mittels einer Bogenentladung verdampft, da bei diesen Verfahren gleichzeitig im Beschichtungsraum das erforderliche Plasma erzeugt wird. Derartige Bogenentladungsverdampfer können mit Hohlkatode oder Glühkatode arbeiten. Die Bogenentladung brennt jeweils zwischen der Katode und der aus dem zu verdampfenden Material bestehenden tiegelförmigen Anode, schmilzt diese auf und verdampft das Material. Die Dampfteilchen gelangen in den mit einem Plasma ausgefeilten Beschichtungsraum, werden dort teilweise ionisiert und danach auf dem meist negativ vorgespannten Substrat abgeschieden.

Der Nachteil dieser Verfahren liegt gegenüber Elektronenstrahl-Verdampfern mit gesonderter Plasmaerzeugung in einer relativ geringen Beschichtungsrate infolge der geringen Strahlfokussierung. Weiterhin ist die Lageorientierung durch das Schmelzbad und damit die ausschließliche Verdampfung von unten nach ο Jen oft ungünstig. Auch hat die Katode einen unerwünscht hohen Verschleiß, wobei das abgetragene Katodenmaterial in der Schicht zu störenden Einlagerungen führen kann. Die andere bekannte Gruppe der Vakuum-Bogenontladungsverdampfor (siehe z.B. VDI-Zeitschrift 129 (1987) 1, S.84) hat eine relativ großflächige Katode, die aus dem zu verdampfenden leitfähigen Material besteht, und eine Anode. Durch bekannte Methoden wird zwischen bolden Elektroden oin Vakuumbogen gezündet und das Katodenmaterial mit hoher Rate verdampft. Auf der Katodenoberfiäche erfolgt dabei der Stromaustritt im rogenannten Bronnflock, auch Katodenfleck oder Spot genannt, aus dem die erosive Materialabtragung vonstatten geht. Die sehr hohe Energiedichte im Brennfleck führt zu einer explosionsartigen Verdampfung sowie Ionisierung des verdampften Materials und umgebender Gasteilchen. Diese Verdampfungsverfahren weisen gegenüber anderen Verfahren wichtige Vorteile auf, dio besonders in einem hohem energetischen Wirkungsgrad, einem hohen lonislerungsgred des abgetragenen Materials sowie ein or hohen Beschichtungsrate bei beliebiger Einbaulage des Verdampfers bestehen. Einige Nachteile verhindern jedoch, daß diese Verfahren bei Beschichtungsverfahren mit besonders hohen Ansprüchen an die Homogenität und Reproduzierbarkeit der Schicht eingesetzt wurden können. Ein besonderes Problem ist die explosionsartige Verdampfung des Katodenmaterials, was neben der Erzeugung von Dampf (neutral und ionisiort) auch zur Emittierung von makroskopischen Teilchen (Spritzer oder Droplets) flhrt. Dieser Vorgang wird durch den hohen lonendruck (etwa 10* Pe) unmittelbar über der Katodonoberiläche verursacht, der das im Spotzentrum schmelzflüssige Material ki ate'bildond zur Seite schloudert, wobei das nicht sofort verdampfte Material in Tröpfchenform unerwünscht auch auf die Substrate gelangen kann. Ein weiterer Nachteil besteht in dor schlechten Steuer- und Beeinflußbarkeit der unregelmäßigen, chaotischon Brer.nf.eckbewogung auf der Targetoberfläche.

In dar DE-PS 3413B91 wird vorgeschlagen, zwischen einer Katode und einer Anode bei niedrigem Druck einen Vakuumbogen zu zuenden, dessen Elektronen die drahtlörmige Anode verdampfen. Die Katode soll ο :s dem gleichem Material wia das zu verdampfendo Anodenmaterial sein oder die Katode ist gut abzuschirmen, damit dieses Material nicht an das Substrat gelangen kann. Vorteilhafterweise wird bei dieser Lösung keine störende makroskopische Partikelemission des Anodenmaterials beobachtet (siehe auch J. Vac. Sei. Technol. A/6 (1988) 1,134-139).

Diese Lösung wolst jedoch auch eine Roihe prinzipieller Mängel ouf. So wird durch die hoho Enorgiekonzentration die gesamte Anode aufgeschmolzen. Damit entsteht das Problem der Haltorung des zu verdampfenden Materials. Grundsätzlich ist die Einrichtung auf kleinflächlgo Anoden und damit auf geringo zu verdampfendo Materialmengon beschränkt, sofern keine aufwondigon Nachfütierungsoinrichtungen eingesetzt werden.

Das gozlolto Verdampfen größerer Anodonboroicho stellt oin gonerollos Probion) boi dor Ausnutzung anodischer Bronnflecke dar, da dio Aodon'lockon, im Gogensatz zu den Katodonflcckon, von Natur aus stationär sind. Su kommt es insbosondoro boi hohen Strömon schnoll zu mokroskopischon Aufschmolzungon, Abtropfen von Anodonmatoi ial und auch zur Zerstörung dor Anode.

ZIoI dor Erfindung Die Erfindung hat das Ziol, ofn Verfahron zur homogonen plasmagostützton Schlchtabschoidung mit honor Rate anzugeben.

-2- 275 883 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde mittels Bogenentladung örtlich begrenzte Anodenbereiche so aufzuheizen, daß eine Verdampfung mit hoher Rate bei intensiver Plasmabildung erzielt wird, ohne r'aß die Anode makroskopisch aufschmilzt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Bogsnentladung zwischen einer Katode und der aus dem zu verdampfenden Material beistehenden Anode in bekannter Weise gezündet und bei so niedriger Sti omstärke aufrecht erhalten wird, daß kein Aufschmelzen und Verdampfen der Anode auftritt. Di* Bogenentladung kann dabei mit einer beliebigen Katodenart realisiert werden, z. B. Hohlkatode oder Glühkatode.

Zur Verdampfung des Anodenmaterials wird in der Folge ein örtlich variierbaror fokussierter Laserstrahlimpuls mit einer derartigen Energiedichte auf die Oberfläche der Anode geleitet, daß sich am Auftrsffort ein örtlich begrenztes dichtes Plasma ausbildet und gleichzeitig ein Hochstromimpuls durch geeignete Mittel zugeschaltet, was im Zusammenwirken zu einer Vakuum-Bogenentl&dung zwischen dem anodischen Verdampfungsmaterial am Auftreffort des Laserstralilimpulses und einer Katode führt. Am Auftreffort des Laserotrahlos kommt es zur explosionsartigen Verdampfung des Anodenmaterials. Die Verdampfung erfolgt dabei in der für Anoden typischen Weise ohne Entstehung von störenden Makroteilchen (Droplets), wie es bei der Katodenverdampfung der Fall ist.

Ohne Einleitung des fokussieren Laserstrahlimpules wurde di6 Ausbildung eines konzentrierten Brennfleckes auf der großflächigen Anode trotz Hochstromimpuls nur schwer möglich sein bzw. nur großflächig, nicht konzentriert und damit ohne reale Verdampfungswirkung brennen. Auch nach Verlöschen des Laserstrahlimpulses brennt die Vakuum-Bogenentladung, die einmal gezündot wurde, weiter zwischen der Katode und dem durch den Laserimpuls festgelegten Anodenfleck. Die Bogenentladung bleibt auf den Zündort begrenzt und führt durch die geringe flächige Ausdehnung des Anodenfleckes zur Hochrateverdampfung bei Intensiver Ionisierung. Das Nichtaustreten von Spritzern aus dem Anodenflock ergibt sich aus dem fehlenden lonendruck. Ebenfalls tritt die stochastische Bewegung dos Brennflockes, die vom Katodenfleck bekannt ist, beim Anodenfleck nicht auf. Verfahrensgemäß wird die Brennzeit der Vakuum-Bogenentladung zur Vermeidung einer großflächigen, makroskopischen Aufschmelzung der Anode zeitlich begrenzt. Die kontinuierliche Verdampfung wird durch eine Folge vieler solcher Impulsartigor Verdampfungen erzielt. Der technische Aufwand dazu kann mit bekannten Mitteln relativ gering gehalten werden, da die Bogenentladung zwischen Anode und Katode ständig aufrechterhalten bleibt und damit auch das Raumplasma. Damit bleibt insbesondere auch der erforderliche Anodenfall mit ausreichender Ladungsträgerkonzentration an der Anodenoberfläche erhalten, der das sofortige und leichte Zuendon des konzentrierten Vakuumbogens zwischen Katode und Anode in beschriebener Weise ermöglicht. Der Laserstrahl-Auftraffort wird in vorteilhafter Weise periodisch über die gesamte Anodenoberfläche gerastert. Damit werden örtliche Überhi»zungen der Anode vermieden, und die Anode wird gleichmäßig abgetragen.

Das erfindungsgemiSße Verfahren gestattet die plasmagostützte Abscheidung homogener hochreiner Schichten mit hohen Abscheidoraten und guter Beeiriflußbarkeit der Prozeßparameter.

Au*f0hruno*belfp!el

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiol näher erläutert warden. 0ί4 zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine geeignete Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens.

In einem met( tischen Rezipienton 1 sind eine Hohlkatode 2 und eine großflächige, wassergekühlte Anode 3 aus Titan so angeordnet, daß eine Hohlkatoden-Bogenentladung im Trägergas Argon, das durch die Hohlkatode 2 in den Roitipienten 1 einströmt, mitteis des Stromversorgungsgerätes 4 gezündet und aufrechterhalten werden kann. Die Substrate ? sind isoliert gegenüber dem Rezipionten 1 angeordnet und derart mit einem negativem Potential beaufschlagt, daß ein« Extraktion von Ionen aus dem Plasma der Hohlkatoden-Bogeneniladung auf die Substrate möglich ist.

Weiterhin sind eine geeignete Laserstrahleinrichtung 6, deren Laserstrahl 7 optisch über die gesamte Anodenoberfläche 3 a gerasteit werden kann, und eine zusätzliche Stromversorgungseinrichtung 8 für die Anode 3 vorhanden. Verfahrensgemäß wird i.ierst die Bogenentladung zwischen der Hohlkatode 2 und der Anode 3 in bekannter Weiso gozündet. Der Bogen wird mit einer Stromstärke von etwa 100A aufrechterhalten. Die Bogenentladung bildet innerhalb des Rezipienten 1 ein intensives Plasma aus, chne daß dies zur Verdampfung der Anode 3 führt. Innerhalb dieser Verfahrensstufe wird die bekannte lonenreinlgung rfor Substrate realisiert. Dazu werden die Subsfate 5 auf ein negatives Potential von SOOV gegenüber dom Plasma gelegt, was zu einem intensivem lonenbeschuß führt. L'um Zwecke der Beschichtung werden die Substrate 5 juf ßin Potential von -50V gelegt.

Danach wird die erfindungsgemäße Verdampfung eingeleitet. Die Bogenentladung zwischen Katode 2 und Anode 3 wird in beschriebener Weite aufrechterhalten. Mittels der Laserstrahleinrichtung 6 wird ein hochfckusslertsr Laserstrahlimpuls 7 mit einer Leistungsdichte von 2x10* W/cm² und auf eine beliebige Stelle der Anodenoborfläche 3e gesendet. Das allein führt zur Ausbildung eines räumlich begrenzten dichten Plasmas übor dem Auftreffort. Gleichzeitig wird zusätzlich mittels der Stromversorgung 8 ein Hochstromimpuls zwischen der Anode 3 und dom als Katode dienenden Roziplonton 1 orzeugt. Das gomolnsam führt zur Ausbildung oinor Vekuum-Bogonontladuno a» /ischon dem RozipiGnton 1 und dem Auftreffort des Lasorstrahlimpulos 7 auf der Anodenoberfläche 3 a. Im Boispiol beträgt dio Maximalstromstärke 500A bei einer Halbwertszeit von 10rns. Der Anoden-Brannflock wlfdörtlich du-;h den Auftreffort dos Lasorstrahlimpulsos exakt festgelegt und ist kleinflächig entsprechend dor Größo dos dichten Plasmas an diosor Stolle. Dios führt durch dio hoho Enorgiokonzontration zur Verdampfung dos Anodonmatorlals mit honor Rato. Dor Hochstromimpuls wird im Beispiel mittels der Schelter 9 und 10 sowio einos Kondensators 11 übor olno ontsprochondo Stromversorgung 12 realisiert. Durch goeignoto Dimonsioniorung wird eine Verdampfungs-Impulsfroquonz von 5 Hz olngostollt.

Mit dom orfindungsgomäßon Vorfahren können in noutralor Atmosphäre haftfosto Titanschlchton und in renk'ivor Stickstoff-Atmosphäre TiN-Schichtnn mit oinor Rato von 10pm/h boi hohor Homogonität auch auf tomporaturompfindlichen Substraten abgo«chiedon werden. Die bolspiolswolso »o erzeugten TIN-Schichton sind vorzugsweise (200)-oriantiort und wachsen äußerst feinkristallin und droplotfroi auf. Dioso Folnkristallinität sowio dio Homogen'<ät der Schichten ermöglicht deren Einsah sowohl für Verschluißschutiworke, als uuch für optische und mikrooloktronfscho Anwendungen.

Claims (1)

1. Verfahren zur homogenen Schichtabscheidung mittels Bogenentladung, gekennzeichnet dadurch, daß die Bogenentladung zwischen einer Katode (2) und einer zu verdampfender Anode (3) mit einem Strom gezündet und aufrechterhalten wird, der nicht allein zur Verdampfung des Anodenmaterials führt und daß an der Anode eine Folge zusätzlicher, örtlich begrenzter, impulsartiger Hochstrom-Entladungen mittels örtlich variierbarem hochfokussiertern Laserstrahlimpuls gezündet wird.

   Hierzu 1 Seito Zeichnung