DE102006027098A1

DE102006027098A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schichtoptimierung mittels Radikale

Info

Publication number: DE102006027098A1
Application number: DE200610027098
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Ullmann; Stephan Dr. Spinzig; Hansjörg Dr. Niederwald; Dieter Dr. Nagengast
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2006-06-10
Filing date: 2006-06-10
Publication date: 2007-12-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Schichten mittels physikalischer (PVD) oder chemischer (CVD) Dampfphasenabscheidung und/oder mittels Schichtmodifikation unter Bildung von Dampfphasen, wobei in die Dampfphase (6) Radikale des Schichtmaterials eingeleitet werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Schichten mittels physikalischer (PVD) oder chemischer (CVD) Dampfphasenabscheidung und/oder mittels Schichtmodifikation unter Einsatz von Dampfphasen.
STAND DER TECHNIK
Nach dem bekannten Stand der Technik können dünne Schichten, insbesondere im Bereich unterhalb des Nanometerbereichs (Subnanometerbereich) bis zu Schichtdicken mit einigen hundert Mikrometern, mit unterschiedlichsten Verfahren hergestellt werden, die unter den Begriffen „physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD)" und „chemische Dampfphasenabscheidung (CVD)" zusammengefasst werden können. Bei all diesen Verfahren wird auf unterschiedliche Weise einen Dampf- bzw. Gasphase erzeugt, aus der sich dann Elemente auf einem Substrat ablagern, um die gewünschte Schicht zu bilden.
Neben einfachen homogenen Schichten mit einer einzigen Komponente bzw. einem einzigen chemischen Element können auch mehr-komponentige Schichten oder Schichten von Verbindungen, insbesondere auch mit unterschiedlicher Zusammensetzung (Gradientenschichten) gebildet werden, wenn beispielsweise verschiedene Elemente in der Dampfphase vorliegen.
Oftmals ist es auch Ziel, eine Schicht aus einer Verbindung mit exakter stöchiometrischer Zusammensetzung abzuscheiden, wie beispielsweise bei der Herstellung von Schichten aus Magnesiumfluorid (MgF₂), bei der der Anteil in der Schicht 1/3 Mg-Atome und 2/3 F-Atome betragen sollte. Bei einer entsprechenden Abweichung von dieser Stöchiometrie können starke Abwandlungen der Schichteigenschaften auftreten, beispielsweise hinsichtlich der optischen Eigenschaften, der mechanischen Eigenschaften, der Haftfestigkeit usw. Insbesondere kann sich das Absorptionsverhalten der Schichten und die Affinität gegenüber Kontaminationen verändern. Insgesamt ist es in der Beschichtungstechnologie erforderlich, Schichten mit definierten Eigenschaften zu erzeugen, welche üblicherweise stark von der Mikrostruktur der Schicht beeinflusst sind. Es kommt deshalb darauf an, Schichten abzuscheiden, deren Aufbau eine definierte Struktur, z.B. hinsichtlich der Zusammensetzung, mit möglichst wenig Fehlstellen aufweist.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, bei welchen die Qualität der Schichten verbessert werden kann, insbesondere hinsichtlich eines fehlerfreien Aufbaus der Schicht und bei Schichten mit mehreren Komponenten, insbesondere im Hinblick auf eine definierte Einstellung der Schichtzusammensetzung, sei es stöchiometrisch, über- oder unterstöchiometrisch. Vor allem ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Beschichtungsprozess nachvollziehbare Möglichkeit der Beeinflussung bzw. Korrektur der Schichtzusammensetzung bereitzustellen und insbesondere bei Schichten mit Fluor- bzw. Sauerstoffanteilen einen gezielte Einstellung, insbesondere Erhöhung der Konzentration dieser Elemente in der Schicht zu ermöglichen.
WESEN DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzliche Radikale des Schichtmaterials bei der Bildung oder Modifizierung der Schicht zugegeben werden. Radikale besitzen aufgrund ihrer chemischen Aktivität eine stark ausgeprägte Neigung, in einen energetisch günstigen Zustand überzugehen, den sie beim Einbau in die Schicht finden können. Dies sorgt dafür, dass beim Schichtaufbau weniger Zufallsprozesse zu einer Anlagerung der entsprechenden Teilchen führen, sondern dass mittels der Radikale ein ganz gezielter Einbau erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Gegensatz zur Beeinflussung der Schichtstöchiometrie durch Beschießen der abgeschiedenen Schicht mit Ionen oder dergleichen keine oder eine geringere mechanische Veränderung der Schicht auftritt.
Insbesondere bei Schichtabscheidungen oder Modifikationen, bei denen in der Schicht mehrere Komponenten enthalten sind, kann durch das Zurverfügungstellen eines Teils oder nahezu des gesamten Komponentenanteils von zumindest einer oder mehreren Komponenten in Form von Radikalen gezielt der Einbau dieser Komponente unterstützt werden, ohne dass andere Beschichtungsparameter wie Temperaturen, Zufluss eines entsprechenden Gases, Plasmabedingungen und dergleichen unterschiedliche Einflüsse auf das Abscheideverhalten ausüben können. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei mehrkomponentigen Schichten in einfacher Weise erreicht, dass eine bestimmte Zusammensetzung oder bei entsprechenden Verbindungsschichten eine bestimmte Stöchiometrie eingestellt werden kann.
Insbesondere hat sich ein derartiges Verfahren zur Abscheidung von oxydischen oder fluoridischen Schichten auf optischen Elementen bewährt. Schichten aus diesen Materialien können mit den üblichen Dünnschichtverfahren nicht oder nur schwer mit der optimalen Zielstöchiometrie hergestellt werden. Es hat sich aber gezeigt, dass durch Bereitstellung von zusätzlichen Fluor- oder Sauerstoffradikalen die gewünschte Zielstöchiometrie besser eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann die Stöchiometrie auch definiert variiert werden, so dass gewünschte Schichteigenschaften, welche von der Schichtstöchiometrie der oxydischen oder fluoridischen Schicht abhängen, gezielt eingestellt werden können. Solche Schichteigenschaften sind beispielsweise das Absorptionsverhalten, die Affinität gegenüber Kontaminationen, die Haftfestigkeit oder das mechanische Verhalten der Schicht. Dies ist insbesondere für optische Systeme im UV- bzw. VUV-Bereich von Bedeutung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei jedem bekannten Beschichtungs- oder Schichtmodifikationsverfahren verwendet werden, bei welchem während des Schichtaufbaus bzw. der Schichtablagerung oder der Schichtmodifikation eine Einlagerung von Atomen in die Schicht aus der Gas- oder Dampfphase stattfindet. Insbesondere kommen hierfür deshalb physikalische und chemischen Dampfphasenabscheidungen (Physical Vapour Deposition (PVD), Chemical Vapour Deposition (CVD)) in Frage, bei denen die verschiedenen Dampfphasen bzw. Gasphasen auf unterschiedlichste Weise erzeugt werden. Doch selbst einfachste thermische Modifikationsverfahren, bei denen sich durch die Temperaturbeaufschlagung eine Dampfphase über der Schicht bildet, können durch Bereitstellung von entsprechenden Radikalen positiv beeinflusst werden.
Gemäß der ebenfalls beanspruchten Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens ist es erforderlich, eine oder mehrere Radikalquellen vorzusehen, die Radikale der Dampf- bzw. Gasphase zur Verfügung stellen kann. Dabei ist es wichtig, dass die verwendeten Radikalquellen verunreinigungsarm arbeiten, insbesondere keine Metallverunreinigungen generieren, und der Radikalfluss definiert eingestellt werden kann. Weiterhin müssen die Radikalquellen kompatibel zu den verwendeten Beschichtungsanlagen sein. Besonders bevorzugt ist daher die Verwendung vakuumtauglicher Radikalquellen.
Die Radikalquelle, die beispielsweise durch ein Plasma mit sehr hoher Plasmadichte, welches beispielsweise mittels eines im Gigahertzbereich betriebenen Magnetrons gebildet werden kann, verwirklicht wird, kann auch außerhalb der Beschichtungsanlage angeordnet sein. In diesem Fall wird sie mit einer entsprechenden Radikaltransportleitung mit dem Rezipienten verbunden, um die entsprechenden Radikale aus der Radikalquelle in den Rezipienten zu überführen. Wichtig ist dabei ein möglichst verlustarmer Transport der Radikale. Dies kann beispielsweise gezielt durch Ausnutzung der Druckunterschiede zwischen einem hochdichten Plasma und einer Vakuumkammer erfolgen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGEN
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, mittels der Beschichtungsprozesse oder Prozesse zur Modifikation von Schichten, insbesondere von dünnen Schichten im Bereich unterhalb des Nanometerbereichs bis zum Mikrometerbereich mittels der Bereitstellung von Radikalen optimiert werden können.
Der Vorrichtung umfasst einen Rezipienten 1, beispielsweise eine Vakuumkammer, in der das Substrat 5, welches beschichtet werden soll, aufgenommen werden kann.
In den Rezipienten 1 führt eine Vielzahl von absperrbaren Gaszuführleitungen 9, die von Gasversorgungsbehältern 10 entsprechende Gase in den Rezipienten 1 einführen. Diese Gase bilden dann beispielsweise im Bereich zwischen den Heizeinrichtungen 7 eine reaktive Gas- oder Dampfphase, aus der beispielsweise die gewünschten Reaktionsprodukte als Schicht auf dem Substrat 5 abgeschieden werden. Alternativ können anstelle der Heizeinrichtungen beispielsweise auch Elektroden zur Zündung eines Plasmas vorgesehen sein.
Neben einer derartigen chemischen Dampfphasenabscheidung sind auch rein physikalische Dampfphasenabscheidungen denkbar, wie beispielsweise die thermische Verdampfung von in einem Behälter 8 bereit gestellten Beschichtungsmaterial, wobei sich dieses Material dann entsprechend aus der Dampfphase, die durch die thermische Verdampfung erzeugt wird, ebenfalls auf dem Substrat 5 abscheiden kann.
Darüber hinaus sind vielfältige Verfahren zum Beschichten von Substraten, wie Sputtern (Zerstäubung), Ionenplatieren und/oder Verfahren zur Modifizierung oder Beeinflussung von Schichten mittels Elektronenstrahlen und Ionenstrahlen oder auch einfache thermische Erhitzung denkbar, die dazu führen, dass sich im Bereich des Substrats eine Dampf- oder Gasphase 6 ausbildet, aus der es zu Abscheidungen auf dem Substrat 5 kommt. Sofern die Rate der Abscheidung aus der Dampfphase größer ist als die Rate der Desorption aus der Schicht 4 auf dem Substrat, kommt es zu einem Schichtaufbau.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, durch Einbringen eines zumindest erhöhten Anteils von Radikalen in die Dampfphase 6, die entsprechend den obigen Erläuterungen sehr weit reichend definiert sein soll, den Schichtaufbau oder die Schichtmodifizierung durch den vorhandenen Anteil an Radikalen in der Dampfphase 6 zu beeinflussen.
Hierzu wird gemäß der Vorrichtung, die in der Figur gezeigt ist, außerhalb des Rezipienten eine Radikalquelle 3 vorgesehen, die über eine Radikaltransportstrecke 2 mit dem Rezipienten 1 verbunden ist, so dass Radikale, die in der Radikalquelle 3 erzeugt werden, in den Rezipienten 1 und dort in die Dampfphase 6 überführt werden können. Durch die hohe chemische Aktivität der Radikale werden diese verstärkt in die Schicht eingebaut, so dass durch den Einsatz eines bestimmten Anteils an Radikalen eines Elements für den Schichtaufbau die Zusammensetzung genau eingestellt werden kann. Insbesondere kann bei einem Schichtaufbau aus mehreren chemischen Elementen, ein Anteil einer chemischen Komponente durch einen Anteil an Radikalen gebildet werden, wobei die Variation dieses Anteils dann im direkten Zusammenhang mit dem Einbau dieser Elemente in die Schicht steht. Alternativ ist es auch denkbar, dass der komplette Anteil einer in einer Schicht einzubauenden chemischen Komponente weitgehend durch Radikale bereitgestellt wird, wenn beispielsweise lediglich eine Dotierung einer Schicht in einer bestimmten Konzentration beispielsweise bei der Modifikation einer bereits bestehenden Schicht angestrebt wird.
Insbesondere können auf diese Weise definiert eingestellte oxydische und fluoridische Schichten mit stöchiometrischer, über- oder unterstöchiometrischer Zusammensetzung abgeschieden werden, wie beispielsweise Magnesiumfluoridschichten.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Schichten bestehend aus einem Schichtmaterial, welches einelementige oder eine chemische Verbindung von mindestens zwei Elementen ist mittels physikalischer (PVD) oder chemischer (CVD) Dampfphasenabscheidung und/oder mittels Schichtmodifikation unter Einsatz oder Bildung von Dampfphasen, dadurch gekennzeichnet, dass in die Dampfphase (6) Radikale mindestens eines der Elemente des Schichtmaterials eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radikale zusätzlich zu bereits in der Gasphase vorhandenen Radikalen von einer gesonderten Radikalquelle (3) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Elemente Sauerstoff oder Fluor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei oder mehr Schichtkomponenten nur Radikale von einem oder einem Teil der Komponenten in die Dampfphase (6) zugegeben werden, insbesondere bei oxidischen oder fluoridischen Schichten Sauerstoff- oder Fluor-Radikale.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der Radikale zur Einstellung der Schichtstöchiometrie oder Schichtzusammensetzung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radikale einen Anteil der insgesamt für die Schichtbildung erforderlichen Atome bilden, insbesondere bei einer Schicht aus mehreren chemischen Elementen einen für die Variation der Zusammensetzung oder Stöchiometrie variablen Anteil und/oder den Gesamtanteil einer oder mehrer Komponenten der Schichtzusammensetzung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radikale in einem Plasma hoher Dichte, insbesondere unter Verwendung eines hochfrequent vorzugsweise im Gigahertzbereich betriebenen Magnetrons erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion der Radikale aus einer Radikalquelle (3) durch Erzeugung oder Ausnutzung von Druckunterschieden erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Ionen unterstützte Prozesse umfassend Sputtern, Magnetron-Sputtern, Ionenstrahlbeschuss und/oder dergleichen und/oder thermische Prozesse umfassend Verdampfen und/oder chemische Prozesse umfassend chemische Gasreaktionen aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung von Schichten mittels physikalischer (PVD) oder chemischer (CVD) Dampfphasenabscheidung und/oder mittels Schichtmodifikation unter Einsatz oder Bildung von Dampfphasen, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Rezipienten (1), in dem das zu beschichtende oder zu modifizierende Substrat (5) aufgenommen werden kann und in dem eine Dampfphase (6) aus dem Schichtmaterial im Kontakt mit dem Substrat (5) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Radikalquelle (3) zur Erzeugung von Radikalen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Radikalquelle (3) außerhalb des Rezipienten (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Radikaltransportleitung (2) zur Verbindung der Radikalquelle (3) mit dem Rezipienten (1) und zum Transport der Radikale von der Radikalquelle zum Rezipienten vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Abscheidung und/oder Modifizierung von Schichten vorgesehen sind, insbesondere Ionenquellen, Elektronenquellen, Ionenstrahlerzeuger, Elektronenstrahlerzeuger, Plasmaerzeuger, Elektroden, Verdampfer, Heizeinrichtungen, Gasquellen und/oder dergleichen.