DE10006336C2 - Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten im Vakuum durch magnetfeldgestütze Laserdeposition, bei dem mit einem Laserstrahl von einem Target Material verdampft und dieses auf einem Substrat abgeschieden wird. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten im Vakuum durch magnetfeldgestützte Laserdeposition so zu gestalten, dass gegenüber dem bekannten Verfahren bei Vermeidung der Bildung von Droplets eine Vergrößerung der Abtragfläche auf dem Target eintritt und eine Steigerung der abgetragenen Teilchenanzahl bewirkt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird zur Erzielung eines großflächigeren Materialabtrags vom Target (2) und zur Verringerung der Abscheidung von Droplets ein Magnetfeld (3) über der Targetoberfläche erzeugt, dessen Feldlinien parallel oder teilweise parallel zur Targetoberfläche verlaufen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung großflächiger Schichten mit komplexer Stöchiometrie, wie beispielsweise YBCO-Hochtemperatursupraleiter-Schichten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheiden dünner Schichten im Vakuum durch magnetfeldgestützte Laserdeposition, bei dem mit einem Laserstrahl von einem Target Material verdampft und dieses auf einem Substrat abgeschieden wird.

Zur Abscheidung dünner Schichten im Vakuum kommen meist die Verfahren der thermischen Verdampfung, des Zerstäubens oder der CVD zur Anwendung. Seit einigen Jahren wird auch das Laserverfahren (Pulsed Laser Deposition, PLD) angewandt, bei dem durch einen fokussierten Laserstrahl eine Targetoberfläche extrem schnell und intensiv aufgeheizt und dadurch Material explosionsartig verdampft wird. Besonders hat sich dieses Verfahren für Schichten mit komplexer Stöchiometrie bewährt, wie z. B. im Falle der Herstellung von YBCO- Supraleiterschichten (R. E. Muenchausen, X. D. Wu, Pulsed Laser Deposition of Thin Films, ed. by D. B. Chrisey and G. K. Hubler, John Wiley & Sons, Inc. 1994). Dabei wird die beste Schichtqualität mit guter Stöchiometrie, geringer Schmelztröpfchen(droplet)dichte usw. bei einer Strahlungsdichte größer 10⁷ Wcm^-2 erreicht, wenn die Pulslänge im µs- bis fs- Bereich liegt und wenn Laserstrahlung mit kurzer Wellenlänge (UV-Bereich) bzw. hoher Photonenenergie verwendet wird (W. Kautek et al., Thin Solid Films 191 (1990) 317). Durch die inverse Abhängigkeit der Strahlleistungsdichte vom Quadrat des Durchmessers des auf dem Target abgebildeten Laserflecks (spot) und der begrenzten Pulsleistung ist es dabei erforderlich, den Strahl auf eine Fläche von maximal einigen cm² an der Targetoberfläche zu fokussieren.

Die Abscheidung mittels PLD erfolgt je nach Schichtart entweder im Ultrahoch-, im Hoch- oder im Feinvakuumbereich bei definiertem Partialdruck (bis einige hundert Pa) eines Reaktionsgases bzw. -gasgemisches. Durch den Umgebungsdruck sowie durch die Laserparameter, wie Strahlleistungsdichte, Pulsdauer, Strahlprofil und Wellenlänge, wird in entscheidender Weise die Dynamik im Materialdampf (Plasma) und damit das Ausbreitungsverhalten bestimmt. So findet unter den üblichen Vakuumbedingungen eine keulenförmige Plasmaausbildung statt. Bei höherem Gasdruck führen Stoßprozesse der Plasmateilchen mit den Gaspartikeln zu einer Behinderung (Dämpfung) der Plasmaausbreitung und unter bestimmten Umständen zu einer chemischen Reaktion in der Gasphase vor der Targetoberfläche.

Im Vakuum werden wegen der kleinen Spotfläche und der keulenartigen Plasmaausbreitung großflächige Substrate nicht gleichmäßig beschichtet. Die Schichtdicke auf dem Substrat zeigt deshalb eine "hügelartige" Ortsverteilung. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Schichtdicke wird im allgemeinen eine Relativbewegung zwischen dem Laserspot und dem Substrat, z. B. durch Scannen des Laserstrahls und/oder eine Substratbewegung, realisiert.

Ein weiterer Nachteil der PLD ist der mehr oder weniger starke Einbau von sogenannten Dropletdeffekten in die Schichten. Dies sind Schichtdefekte, die aus der an der Targetoberfläche gebildeten Schmelzzone stammen, sich mit dem Plasma ausbreiten und sich als Schmelztröpfchen mit jedem Laserpuls auf dem Substrat niederschlagen. Die Droplets führen zu Inhomogenitäten in Bezug auf das Gefüge bzw. die Struktur sowie die Stöchiometrie der abgeschiedenen Schichten. Ziel der Verfahrensentwicklungen ist es deshalb, die Bildung bzw. den Niederschlag der Droplets auf das Substrat zu unterbinden oder zumindest zu minimieren. Eine Reduzierung der Dropletdichte in den Schichten kann erreicht werden, wenn die Ausbildung einer schmelzflüssigen Phase an der Targetoberfläche z. B. durch Verkürzung der Pulsdauer behindert wird. Weitere Möglichkeiten bestehen in definierten Target-Substrat-Anordnungen, wie z. B. der Off-Axis-Anordnung (B. Holzapfel et al., Appl. Phys. Lett. 61 (1992) 3178), der Methode mit elektrostatischer Ablenkung (J. P. Rebouillat et al., Mater. Res. Soc. Proc. 151 (1989) 259), dem Einsatz geheizter Schirmflächen (S. V. Gaponov et al., Sov. Techn. Phys. 26 (1981) 598) oder in der Generation einer zweiten Plasmawolke (S. V. Gaponov et al., Opt. Comm. 38 (1981) 7). Durch spezielle Target-Substrat-Anordnungen wird allerdings neben der Dropletdichte im allgemeinen auch die Abscheiderate pro Puls reduziert, da die Dichte der Droplets die gleiche Ortsverteilung wie die Schichtdicke und folglich der Plasmateilchen aufweist (S. Menzel et al., J. of Mater. Sci. 3 (1992) 5).

Es ist auch bereits bekannt, bei der PLD zur Reduzierung der Dropletdichte ein Magnetfeld zu verwenden (C. de J. Fernandez et al., Appl. Surface Sci. 138-139 (1999) 150-154). Hierbei wird ein axiales Magnetfeld in Kombination mit einem transversalen Magnetfeld verwendet. Dabei ist das axiale Magnetfeld unmittelbar über der Targetoberfläche angeordnet und mit seinen Feldlinien weitgehend senkrecht auf diese gerichtet. Das transversale Magnetfeld ist über dem axialen Magnetfeld in einem größeren Abstand von der Targetoberfläche angeordnet und mit seinen Feldlinien parallel zur Targetoberfläche ausgerichtet. Da sich das axiale Magnetfeld in unmittelbarer Nähe des Targets befindet, werden die sich mit hoher Geschwindigkeit vom Target entfernenden geladenen Teilchen strahlartig gebündelt. Nach dem Passieren des axialen Magnetfelds treten die Teilchen in das transversale Magnetfeld ein, das weitgehend senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung steht. Die Ladungsträger werden folglich auf Zyklotronbahnen gezwungen und auf diese Weise seitlich in Richtung Substrat herausgefiltert. Nichtgeladene Teilchen und Teilchencluster, zu denen die unerwünschten Droplets gehören, bleiben vom Magnetfeld unbeeinflusst und werden deshalb nicht in Richtung Substrat gelenkt. Auf diese Weise konnten Schichten mit geringer Dropletdichte bzw. Rauheit abgeschieden werden. Nachteilig ist jedoch, dass durch das axiale Magnetfeld eine Vergrößerung der Abtragfläche auf dem Target nicht eintritt, so dass auch keine Steigerung der abgetragenen Teilchenanzahl bewirkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Abscheiden dünner Schichten im Vakuum durch magnetfeldgestützte Laserdeposition, bei dem mit einem Laserstrahl von einem Target Material verdampft und dieses auf einem Substrat abgeschieden wird, so zu gestalten, dass gegenüber dem bekannten Verfahren bei Vermeidung der Bildung von Droplets eine Vergrößerung der Abtragfläche auf dem Target eintritt und eine Steigerung der abgetragenen Teilchenanzahl bewirkt wird.

Diese Aufgabe wird mit dem in den Patentansprüchen beschriebenen Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß wird zur Erzielung eines großflächigeren Materialabtrags vom Target und zur Verringerung der Abscheidung von Droplets ein Magnetfeld über der Targetoberfläche erzeugt, dessen Feldlinien parallel oder teilweise parallel zur Targetoberfläche verlaufen.

Mit diesem Magnetfeld werden die sich parallel zur Targetnormalen bewegenden Plasmateilchen aufgrund des Ausbreitungsbestrebens des Plasmas auf Zyklotronbahnen bzw. spiralförmige Bahnen gezwungen, wobei positiv geladene Teilchen (positive Ionen) und negativ geladene Teilchen (Elektronen und negativ geladene Ionen) in entgegengesetzter Richtung bewegt werden. Durch diese Ladungstrennung entstehen starke "innere" elektrische Felder, die einem Auseinanderdriften bzw. - diffundieren der Ladungen entgegenwirken und so die ambipolare Diffusion erzwingen. Die von der Targetoberfläche ausgelösten Teilchen vollführen in diesem Magnetfeld eine Halbkreisbewegung, bei der sie wieder auf die Targetoberfläche auftreffen und dort bei entsprechender Energie wiederum Atome bzw. Ionen herausschlagen können, was einen Zerstäubungseffekt bewirkt. Der Betrag der kinetischen Energie wird durch das Magnetfeld nicht unmittelbar verändert, d. h., die Teilchen werden durch das Magnetfeld nicht beschleunigt. Lediglich eine Erhöhung der Stoßzahl mit Gasteilchen führt zum Energieverlust. Die herausgeschlagenen Teilchen werden wiederum auf eine Zyklotronbahn gezwungen usw. usf. Dadurch breitet sich das Plasma über der Targetoberfläche in x-Richtung aus.

Der wesentliche Mechanismus zur Reduzierung der Dropletdichte in den abgeschiedenen Schichten liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren in der hohen Teilchendichte pro Volumeneinheit im Ablationsplasma. Diese resultiert aus der Krümmung der Bahn geladener Teilchen und folglich der reduzierten mittleren freien Weglänge. Es erhöht sich dabei die Stoßwahrscheinlichkeit zwischen geladenen und ungeladenen Spezies, wodurch es vor der Targetoberfläche zu einer "Zerlegung" der Droplets kommt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird über der Targetoberfläche ein Magnetfeld erzeugt, das in Richtung der Targetnormalen oder senkrecht dazu eine inhomogene Feldstärke aufweist. Hierdurch werden die Zyklotronrotation der Plasmateilchen und damit die durch das Magnetfeld bewirkten Effekte verstärkt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auch ein Laserstrahl mit einem strichförmigen oder mit einem rechteckigen Fokus verwendet werden. Dabei entsteht durch die Driftbewegung des Plasmas im Magnetfeld über eine bestimmte Strecke in x-Richtung ein bandförmiges Plasma. Dieses läßt sich gleichermaßen erreichen, wenn ein Laserstrahl mit einem Punktfokus verwendet wird, welcher linienförmig über die Targetoberfläche geführt wird.

Weiterhin kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung zwischen Target und Substrat auch eine elektrische Gleich- oder Wechselspannung angelegt werden. Hierdurch können die Länge des Plasmabandes und die kinetische Energie bzw. Richtungsgeschwindigkeit der auftreffenden Ionen variiert werden. Verwendbar sind dabei ein positives oder ein negatives Gleichspannungspotential am Target.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich mit einfachen technischen Mitteln und mit geringem Zeitaufwand großflächige Substrate gleichmäßig beschichten. Die erzeugten Schichten weisen infolge des vermiedenen oder zumindest stark reduzierten Dropletniederschlags ein in Bezug auf das Gefüge und die Stöchiometrie weitgehend homogenes Gefüge auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Darstellung.

Beispiel 1

Bei der in der Zeichnung dargestellten Anordnung ist ein gepulster Laserstrahl 1 eines Excimer-Lasers mit einem strichförmigen Fokus auf die Oberfläche eines Targets 2 gerichtet. Der Laserstrahl 1 besitzt eine Pulsenergie von etwa 350 mJ bei einer Pulsdauer von ca. 20 ns.

Das Target 2 besteht aus YBCO-Supraleitermaterial. Über dem Target 2 wird elektromagnetisch ein homogenes Magnetfeld 3 von einigen 40 mT erzeugt, dessen Feldlinien weitgehend parallel zur Targetoberfläche verlaufen. Durch dieses Magnetfeld werden die sich aufgrund des Ausbreitungsbestrebens des Plasmas (Plasmaexpansion) von der Targetoberfläche entfernenden Plasmateilchen auf Zyklotronbahnen bzw. spiralförmige Bahnen in Richtung der Magnetfeldlinien gezwungen, wobei positiv geladene Teilchen (positive Ionen) und negativ geladen Teilchen (Elektronen und negativ geladene Ionen) in entgegengesetzter Richtung bewegt werden.

Die vom Laserstrahl 1 von der Targetoberfläche ausgelösten Teilchen vollführen in diesem Magnetfeld eine Halbkreisbewegung, bei der sie u. U. wieder auf die Targetoberfläche auftreffen und dort bei genügend hoher Bewegungsenergie wiederum Atome bzw. Ionen aus dem Target herausschlagen können. Die herausgeschlagenen Teilchen werden wiederum auf eine Zyklotronbahn gezwungen, und das Plasma breitet sich in x-Richtung über der Targetoberfläche aus. Dabei erhöht sich die Stoßwahrscheinlichkeit zwischen geladenen und ungeladenen Spezies, wodurch es über der Targetoberfläche zu einer intensiven "Zerlegung" der Droplets kommt.

Gegenüber dem Target 2 ist in einem Abstand von etwa 20 cm ein auf eine definierte Temperatur erwärmtes Si-Substrat 5 angeordnet. Das Substrat 5 ist ein kreisscheibenförmiger, beschichteter Si-Wafer mit einem Durchmesser von 50 mm. Zwischen dem Substrat 5 und dem Target 2 ist eine Gleichspannung U von 300 V angelegt, wobei der negative Pol an das Target 2 angeschlossen ist. Hierdurch werden die im Plasma befindlichen positiv geladenen Targetteilchen zum Target 2 hin beschleunigt und bilden dort unter Wirkung des Magnetfeldes eine verbreiterte Plasmawolke 4. Falls an das Target 2 der positive Pol angeschlossen wäre, würde das Plasma von der Targetoberfläche abgestoßen, wodurch der Anteil der Gasphasenreaktionen im Vergleich zu der Wechselwirkung mit der Targetoberfläche abnimmt.

Das Verfahren wird innerhalb einer 1 Vakuumkammer in einer O₂- Atmosphäre bei einem Druck von einigen Pa durchgeführt. Bereits nach wenigen Minuten ist auf dem Substrat ein 0,5 µm dicker Film mit der Stöchiometrie des Targets vor. Dieser Film ist nahezu dropletfrei und besitzt eine gleichmäßige Dicke über die gesamte Schichtfläche.

Beispiel 2

Dieses Beispiel unterscheidet sich vom Beispiel 1 darin, dass über dem Target 2 kein homogenes, sondern ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt wird. Dieses Magnetfeld ist so ausgebildet, dass seine magnetische Flußdichte B über dem Target 2 in Richtung zum Substrat 5 hin kontinuierlich abnimmt. Die Flussdichte B beträgt dabei in unmittelbarer Nähe des Targets ca. 60 mT und in der Nähe des Substrats weniger als 5 mT. Die übrigen Parameter des Beispiels 1 werden hier unverändert übernommen.

Mit dieser Ausbildung des Magnetfeldes wird erreicht, dass sich der Radius der Zyklotronrotation mit dem Abstand vom Target ändert. Die sich von der Targetoberfläche entfernenden Ladungsträger werden nach Durchlaufen einer Halbkreisbahn stärker abgelenkt, d. h. sie bewegen sich mit geringer werdendem Abstand vom Target auf immer kleiner werdendem Zyklotronradius, was zu einer stärkeren Teilchendrift parallel zur Targetoberfläche führt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten im Vakuum durch magnetfeldgestützte Laserdeposition, bei dem mit einem Laserstrahl von einem Target Material verdampft und dieses auf einem Substrat abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines großflächigeren Materialabtrags vom Target (2) und zur Verringerung der Abscheidung von Schmelztröpfchen ein Magnetfeld (3) über der Targetoberfläche erzeugt wird, dessen Feldlinien parallel oder teilweise parallel zur Targetoberfläche verlaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das über der Targetoberfläche erzeugte Magnetfeld (3) in Richtung der Targetnormalen oder senkrecht dazu eine inhomogene Feldstärke aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (1) mit einem strichförmigen oder mit einem rechteckigen Fokus verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (1) mit einem Punktfokus verwendet und dieser linienförmig über die Targetoberfläche geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Target (2) und Substrat (5) eine elektrische Gleich- oder Wechselspannung (U) angelegt wird.