DE102012209293B3 - Sputterverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, das einer Abtragsoberfläche 2 eines Targets 1 gegenüber angeordnet und das Beschichtungsmaterial mittels Sputtern unter inertem oder Reaktivgas enthaltendem Prozessgas zerstäubt und auf dem Substrat abgeschieden wird. Um die Sputterraten mit geringerem technischen Aufwand, als aus dem Stand der Technik bekannt, und ohne Verlust in der Einstellbarkeit der Schichteigenschaften erhöhen zu können, erfolgt die Beschichtung von einem Mischtarget 1 mit zumindest einer Targetkomponente A und einer Targetkomponente B, wobei zu Beginn des Sputterverfahrens die Verteilung der Targetkomponenten A und B in einer oberflächlichen Targetschicht 3 der Abtragsoberfläche 2 mittels Hochenergieimpuls-Magnetronsputtern, nachfolgend als HiPIMS bezeichnet, modifiziert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft allgemein ein Sputterverfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat.
• Beim Sputtern wird unter Vakuum in einem inerten oder Reaktivgas enthaltenden Prozessgas ein zu beschichtendes Substrat einer Abtragsoberfläche eines Targets gegenüber angeordnet und das Beschichtungsmaterial mittels Magnetronsputtern zerstäubt und auf dem Substrat abgeschieden. Dazu wird zwischen dem zu beschichtenden Substrat und einer Kathode ein Plasma gezündet, dessen positive Ladungsträger durch den sogenannten Sputtereffekt (Abstäuben, d.h. durch Ionenbombardement induziertes Herausschlagen von Atomen aus der Festkörperoberfläche) die oberen Schichten einer Targetoberfläche abtragen. Es können die unterschiedlichsten Materialien ohne oder mit Anwesenheit von Reaktivgas gesputtert werden und in letzterem Fall z.B. als Oxid oder Nitrid auf einem der Abtragsoberfläche des Targets gegenüberliegendem Substrat abgeschieden werden. In vergleichbarer Weise ist es möglich auch Materialmischungen und -verbindungen als Targetmaterial einzusetzen und zu sputtern.
• Wesentliche Qualitätsmerkmale der Sputterprozesse sind zum einen die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten und zum anderen die Effizienz des Verfahrens, die insbesondere mit der erzielbaren und beherrschbaren Sputterrate verknüpft ist.
• In den letzten Jahren wurde für verschiedene Anwendung das so genannte Hochenergieimpuls-Magnetronsputtern (High Power Impuls Magnetron Sputtern – HiPIMS) eingesetzt. Das HiPIMS ist ein Sputterverfahren mit gepulstem Energieeintrag, bei dem die eingetragene Leistungsdichte am Target etwa um das 30-fache bis mehr als das 100-fache der beim herkömmlichen DC-Magnetronsputtern üblichen Werte erreichen kann. Ein solcher Prozess ist aus der DE 10 2008 028 141 A1 zur Abscheidung einer Indiumzinnoxidschicht bekannt. Mittels einer sehr hohen Leistungsstromdichte im Puls, die gegenüber einer DC-Entladung um einen Faktor 100–500 größer ist, und Pulsdauern von kleiner 40 µs wurde eine Indiumzinnoxidschicht mit besonders vorteilhaften mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften hergestellt.
• Das Verfahren ist aufgrund der hohen Leistungsdichte durch einen hohen Ionisationsgrad und eine erhöhte Energie der schichtbildenden Teilchen gekennzeichnet, woraus sich die besonderen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten ableiten. So weisen mittels HiPIMS abgeschiedene Schichten eine sehr dichte Struktur ohne größere Strukturunregelmäßigkeiten auf. Damit zeichnen sich diese Schichten auch durch einen hohen Härtegrad, gute Korrosionsbeständigkeit und einen niedrigen Gleitverschleiß-Koeffizienten aus, was sie z.B. für die Oberflächenvergütungen von Werkzeugen qualifiziert.
• Jedoch ist die Sputterrate des Verfahrens im Vergleich zu den herkömmlichen DC-(Gleichspannungs-)Sputtern und dem MF-(Mittelfrequenz-)Sputtern deutlich kleiner, so dass es für eine industrielle und großflächige Anwendung derzeit nicht effektiv genug ist. Die geringe Rate ist auf den hohen Anteil der zur Kathode zurückbeschleunigten ionisierten Targetteilchen zurückzuführen, die somit nicht mehr für die Schichtbildung zur Verfügung stehen. Die Versuche zur Ratensteigerung mittels Anpassung des Magnetfeldes oder der Einstellung des Arbeitspunktes bei reaktiven Prozessen bringen nur bedingt den erhofften Erfolg.
• Viele Materialien sind mittels der herkömmlichen DC- und dem MF-Sputtern mit elementspezifischer Sputter- und Abscheiderate auf Substraten abzuscheiden, wobei die Verfahren auch für große Kathoden, unterschiedliche Substratmaterialien und industrielle Durchlaufanlagen gut beherrschbar sind. Die Sputterrate, die die Anzahl der abgestäubten Targetatome angibt, ist eine Funktion zahlreicher Eigenschaften der Plasmaionen und des Targetmaterials. Sie ist insbesondere abhängig von der Ionenmasse, dessen Energie und des Einfallswinkels sowie der Masse der Targetatome, deren Packungsdichte und Bindungsenergie. Im Allgemeinen wird die Sputterausbeute begünstigt, wenn durch ein hohes spezifisches Bremsvermögen oder eine günstige Geometrie viel Energie des Ions in den obersten Monolagen des Targets absorbiert wird. Diese steht dann in Form von Kollisionskaskaden auch für die Überwindung der Oberflächenbindungsenergie zur Verfügung. Die Sputterausbeute von Targetmaterialien, die im Vergleich zum Sputtergas leichter sind, ist eher gering, weil für die Ionen der Targetmaterialien der Energieübertrag ungünstig ist und das Ion tief eindringt und wenig dessen ursprünglicher Energie an der Oberfläche zum Herauslösen von Targetatomen zur Verfügung steht.
• Werden allerdings dem leichten Targetelement schwerere Atome hinzugefügt, erhöhen diese das Bremsvermögen und mehr Energie steht im oberflächennahen Bereich zum „Sputtern“ zur Verfügung. Dieser Effekt ist als Sputterratenverstärkung (Sputter Yield Amplification – SYA) bekannt (S.Berg et al. Preferential sputtering effects in thin film processing“ J. Vac. Sci. Technol. A 17(4), Jul/Aug 1999) und kann zur Ratensteigerung von Sputterprozessen genutzt werden. Ziel ist es somit, eine definierte Anzahl von schweren Elementen, z.B. Wolfram, in einem schwer zu sputternden leichten Target, z.B. Kohlenstoff, atomar dispergiert einzulagern. Dies kann einmal durch eine gezielte Legierungsbildung im Target, z.B. Wolframkarbid (WC), oder aber auch mit einer in-situ durchgeführten Anreicherung der Targetoberfläche mit einer weiteren Komponente mittels seriellem Ko-Sputtern erzielt werden ( WO 2005/59197 A2 ).
• Allerdings ist der technische Aufwand für die In-situ-Lösung sehr hoch, da eine separate Gastrennung und separate Kathodenanordnungen mit den zugehörigen Kathodenumgebungen für die seriellen Sputterprozesse erforderlich sind. Zudem ist die globale Gleichverteilung der Beimengungen auf atomarer Ebene nur für Legierungen gegeben, was das Verhältnis zwischen zu sputternden Atomen und Beimengung stark einschränkt. Für abweichende Zusammensetzungen sind jedoch die Anforderungen an die Feinheit der Korngrößenverteilung beim Mischtarget sehr stringent und eine Einstellung der nötigen atomar feinen Dispersion nahezu unmöglich, was die Effizienz der meist teuren Dotanten stark limitiert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sputterverfahren anzugeben, mit welchem die Sputterraten mit geringerem technischen Aufwand, als aus dem Stand der Technik bekannt, und ohne Verlust in der Einstellbarkeit der Schichteigenschaften erhöht werden können.
• Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, wobei die davon abhängigen Ansprüche vorteilhafte Ausgestaltungen beschreiben.
• Es wird ein Sputterverfahren beschrieben, welches sowohl für die Abscheidung einer einkomponentigen als auch für die Abscheidung einer mehrkomponentigen Schicht auf einem Substrat ein Mischtarget mit zumindest einer Targetkomponente A und einer Targetkomponente B verwendet, wobei mittels des Hochenergieimpuls-Magnetronsputterns in-situ die Verteilung der Targetkomponenten zu Beginn sowie im weiteren Verlauf des Sputterprozesses oberflächlich beeinflusst wird.
• Im Folgenden soll zwischen einer Targetkomponente und einer Schichtkomponente unterschieden werden. Regelmäßig ist eine Targetkomponente auch in der Schicht enthalten und somit in unveränderter oder, z.B. bei reaktiver Beschichtung, in veränderter Form eine Schichtkomponente. Ebenso kann eine Targetkomponente jedoch lediglich technologisch bedingt sein, so dass es nicht als Schichtkomponente erwünscht ist oder nur in solch einem Anteil, dass die Schichteigenschaft nicht beeinflusst wird. Bei solchen Schichtbestandteilen wird auch von Verunreinigungen gesprochen.
• Dementsprechend sollen als einkomponentige Schicht Schichtzusammensetzungen auf dem Substrat bezeichnet sein, in denen eine Schichtkomponente, Atome oder Verbindungen wie z.B. Oxide, Nitride oder andere, den wesentlichen und insbesondere den für die Funktion der Schicht wesentlichen Anteil ausmacht und eine oder mehr Schichtkomponenten lediglich bis zu einer Größenordnung von Verunreinigungen enthalten ist. Diese sind technologisch bestimmt, z.B. durch die handelsübliche Reinheit des verwendeten Materials, die Herstellung des Targets oder zur Stabilisierung eines reaktiven Prozesses. Derartige Verunreinigungen haben üblicherweise Gewichtsanteile von wenigen Prozent.
• Durch die oberflächliche Modifizierung der Verteilung der Targetkomponenten, dieser Verfahrensschritt ist nachfolgend vereinfacht auch als Komponentenverteilung bezeichnet, kann für den sich anschließenden Sputterprozess die Sputterrate erhöht und dafür die geforderte atomare Feinheit der Dispersion der Targetkomponente A in der Abtragsoberfläche eingestellt werden.
• Indem dafür das Verfahren des HiPIMS verwendet wird, können der hohe Ionisierungsgrad der zerstäubten Targetatome und die damit verbundene hohe Rückkehrwahrscheinlichkeit zum Target genutzt werden. Die Targetkomponenten werden dabei zunächst abgestäubt und aufgrund der hohen Energiedichte des Verfahrens zu einem sehr hohen Anteil ionisiert. Aufgrund dessen werden sie zum Target zurück beschleunigt und dort homogen durchmischt als oberflächliche Schicht abgelagert. Über den Ionisierungsgrad der Targetmaterialien kann die Verteilung der Targetkomponenten auch beeinflusst werden.
• Als Targetkomponenten kommen solche in Betracht, die für die Schicht benötigt werden oder wie oben beschrieben für einkomponentige Schichten lediglich technologisch bedingt sind oder beide Anforderungen erfüllen. Insbesondere können solche Beimischungen, hier zu Unterscheidung auch als Targetkomponente B bezeichnet, verwendet werden, die ratenerhöhend wirken.
• Die Kombination des Verfahrensschritts der oberflächlichen Komponentenverteilung mit dem eigentlichen Abscheidungsprozess erfordert keine oder nur geringe zusätzliche Anlagentechnik. Zudem ist sie sowohl für reaktive als auch nichtreaktive Abscheidungen der verschiedensten Targetmaterialien (Targetkomponente A) anwendbar. Gute Ergebnisse wurden z.B. mit Kohlenstoff, Aluminium, Titan, Titanoxid, Zinkoxid, letzteres auch dotiert, oder ITO erzielt. Aufgrund der Möglichkeit der Homogenisierung technologisch bedingter Beimischung können auch andere, schwerer zu kontrollierende Beschichtungsmaterialien mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit erhöhter Sputterrate abgeschieden werden.
• Zudem können die Kosten für die Targetherstellung vermindert werden, da für das ursprüngliche Target geringer Anforderungen hinsichtlich Morphologie bestehen. Die für die Abscheidung gewünschte Morphologie wird durch die anfänglichen Umstrukturierungs- und Verteilungsprozesse hergestellt.
• Von Vorteil erweist es sich darüber hinaus, dass das anfängliche HiPIMS zur Oberflächenstrukturierung und -verteilung ohne gerätetechnische Modifikationen mit den gängigen Sputterverfahren fortgesetzt werden kann. Indem entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens die eigentliche Beschichtung mittels DC- oder MF-Sputtern fortgesetzt wird, können deren Vorteile einbezogen werden. Dies ist neben den oben beschriebenen Vorteilen insbesondere die im Vergleich zu HiPIMs höhere Sputterrate.
• Aufgrund der gleichen Anlagenkonfiguration für beide Verfahren kann darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens die oberflächliche Komponentenverteilung im Verlaufe des Beschichtungsverfahrens mehrfach, bevorzugt periodisch, wiederholt werden, so dass stets die optimale Verteilung an der Abtragsoberfläche zur Verfügung steht. Über die mittels der HiPIMS-Komponentenverteilung erzielbaren Schichtdicke der homogenisierten Oberflächenschicht und der damit erzielbaren Sputterrate ist der Zeitpunkt der erneuten Komponentenverteilung empirisch zu ermitteln. Ein so ermittelter Wechsel zwischen HiPIMS_ und DC/MF-Mode kann für den Beschichtungsprozess beibehalten werden.
• Durch die Verwendung des HiPIMS-Verfahrens für die Homogenisierung und gleichermaßen für die Abscheidung ist die Rückbeschleunigung ionisierten Beimengungsatome wahrscheinlicher und infolge dessen deren Konzentration als Verunreinigung in der abgeschiedenen Schicht deutlich geringer, als für die herkömmlichen Verfahren festgestellt. Dieser Effekt erweitert die Möglichkeiten der verwendbaren Beimischungen für technologische Aspekte, insbesondere zur Auswahl solcher Targetkomponenten, mit denen eine möglichst hohe Sputterratenverstärkung (SYA) erzielbar ist, so dass ein wesentlicher Nachteil des HiPIMS durch dessen Kombination mit dem Verfahren der Sputterratenverstärkung reduziert werden kann. Die Verwendung des HiPIMS-Verfahrens für die eigentliche Schichtabscheidung kann z.B. dann von Vorteil sein, wenn bereits durch das Beschichtungsmaterial selbst oder z.B. durch geeignete Beimischungen eine akzeptable Sputterrate erzielbar ist und/oder wenn die mit de Verfahren verknüpften besonderen Schichteigenschaften gewünscht sind.
• Für die oben beschriebenen technologisch bedingten Beimischungen ist es für jedes der hier beschriebenen, verwendeten Beschichtungsverfahren aufgrund des ergänzten Schrittes zur Komponentenverteilung möglich, sehr geringe Mengen dieser Targetkomponenten dem Target beizufügen. Das hat zur Folge, dass auch in der abgeschiedenen Schicht der Anteil der Beimischung bei wenigen Gewichtsprozenten gehalten werden kann oder die Beimischungen sich nicht in der Schicht niederschlagen.
• Als Beimischungen zur Targetmaterial kommen, wie oben dargestellt, insbesondere ratenerhöhende Targetkomponenten in Betracht. Solche Beimischungen können entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens eine von der Targetkomponente A, die das eigentliche Schichtmaterial darstellt, deutlich abweichende Atom- oder Molekülmasse aufweisen, so dass verschiedene damit verknüpfte Effekte der Impulsübertragung genutzt werden können. Als Targetkomponente B kommt beispielsweise Wolfram, Bismut, Tantal, Molybdän oder andere in Betracht, da sie im Vergleich zu den üblichen, großtechnisch eingesetzten Schichtkomponenten schwer und preiswert sind und zudem keine oder nur geringe Einflüsse auf die Schichteigenschaften aufweisen. Ist die Atom- oder Molekülmasse der Targetkomponente A kleiner als die der Targetkomponente B, erfolgt eine Sputterratenerhöhung durch die Konzentration des Energieeintrags in die oberflächennahe, umstrukturierte Zone, da die schweren Beimischungen das Bremsvermögen in dieser Zone effektiv erhöhen. Mögliche Materialkombinationen von Targetkomponenten sind beispielsweise Kohlenstoff mit Wolfram-Beimengungen oder Titan mit Bismut-Beimengungen.
• Die ratenerhöhenden Effekte können auch durch solche Beimischungen erzielt werden, die entsprechend einer weiteren Ausgestaltung die Sublimation der Targetkomponente A erhöhen, d.h. deren für das Verlassen des Targets erforderlichen Energie absenken. Als derart wirkende Beimischungen ist z.B. Sauerstoff als Reaktivgas oder als Oxidkomponente eines Targets geeignet, welche durch eine effizientere Bildung eines homogenen Oberflächenoxids auf dem Target die Sputterausbeute aufgrund des Sublimationsbeitrags durch den höheren Dampfdrucks dieses Oxides erhöhen. Der höherenergetische Beschuss während des HiPIMS erhöht dabei die Diffusion und resultiert in einem für diesen Fall zuträglicheren dickeren Oxid als es für das reine Sputtern erreicht werden kann. Ein Beispiel hierfür ist das Sputtern von Silizium in einer Sauerstoffhaltigen Atmosphäre zur Abscheidung von stöchiometrischem oder unterstöchiometrischem Siliziumoxid.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, in welchem zur Abscheidung einer Schicht der Targetkomponente A auf einem Substrat ein Target verwendet werden, das neben Targetkomponente A auch Targetkomponente B umfasst, als Mischtarget. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
• 1A und 1B einen Bereich der Abtragsoberfläche des Targets vor und nach dem Prozess zur Komponentenverteilung.
• In 1A ist die Verteilung der Targetkomponente A, z.B. Kohlenstoff, als der schichtbildenden Targetkomponente, und der Targetkomponente B in einem oberflächennahen, zu zerstäubenden Bereich des Mischtargets 1 dargestellt. Targetkomponente A bildet den wesentlichen Teil des Targetmaterials. In der Matrix der Targetkomponente A sind Bereiche verteilt, in denen eine Mischung aus den Targetkomponenten A und B vorliegt. Im Ausführungsbeispiel sind dies Bereiche von Wolframkarbid, da Wolfram als Targetkomponente B in Form von Wolframkarbid bei der Targetherstellung mit einer bestimmten nach unten begrenzten Korngrößenverteilung zugemischt wurde oder sich aber bei den thermisch aktivierten Sinterprozessen umverteilt bzw. segregiert.
• In dieser Zusammensetzung wird die Oberfläche des Mischtargets 1 einem HiPIMS-Prozess ausgesetzt (dargestellt durch auf die Oberfläche gerichtete Pfeile), wobei die Anteile der HiPIMS Pulsfolge im Wechsel mit DC- oder MF-Sputtersequenzen anhand der Optimierung der Rateerhöhung empirisch ermittelt wurde.. Infolge dessen wird ein hochenergetisches Plasma über der Targetoberfläche erzeugt, das auch ionisierten Dampf der Targetkomponenten A und B umfasst. Diese werden zum größten Teil auf die Targetoberfläche zurück beschleunigt und bilden darauf eine oberflächliche Targetschicht 3, in der beide Targetkomponenten gleichmäßig vermischt sind (1B).
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den verschiedenen, oben beschriebenen Ausgestaltungen können die gängigen Vorrichtungen zum Magnetronsputtern mit planaren oder Rohrmagnetrons mit der für ein inert oder reaktiv geführtes Verfahren erforderlichen Prozessgaszuführung und -verteilung sowie einer für die Leistungsdichten und Impulsdauern geeigneten Stromversorgung verwendet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, wobei ein zu beschichtendes Substrat einer Abtragsoberfläche (2) eines Targets (1) gegenüber angeordnet und das Beschichtungsmaterial mittels Sputtern unter inertem oder Reaktivgas enthaltendem Prozessgas zerstäubt und auf dem Substrat abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung von einem Mischtarget (1) mit zumindest einer Targetkomponente A und einer Targetkomponente B erfolgt und zu Beginn des Sputterverfahrens die Verteilung der Targetkomponenten A und B in einer oberflächlichen Targetschicht (3) der Abtragsoberfläche (2) mittels Hochenergieimpuls-Magnetronsputtern, nachfolgend als HiPIMS bezeichnet, modifiziert wird.
2. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Modifizierung der Verteilung der Targetkomponenten in der Targetschicht (3) des Mischtargets (1) das Beschichtungsverfahren durch DC- oder MF-Sputtern fortgesetzt wird.
3. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlaufe des Beschichtungsverfahrens zumindest ein weiteres Mal eine Modifizierung der Verteilung der Targetkomponenten in der Targetschicht (3) des Mischtargets (1) erfolgt.
4. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Modifizierung der Verteilung der Targetkomponenten in der Targetschicht (3) des Mischtargets (1) das Beschichtungsverfahren durch HiPIMS fortgesetzt wird.
5. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Targetkomponente A das Material der abzuscheidenden Schicht ist und Targetkomponente B eine Beimischung zur Erhöhung der Sputterrate des Beschichtungsprozesses, das nicht oder nur in geringen Anteilen von wenigen Gewichtsprozent in der abzuscheidenden Schicht integriert wird.
6. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Atom- oder Molekülmasse von Targetkomponente A kleiner ist als die von Targetkomponente B.
7. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Targetkomponente B ein solches Material ist, welches die Sublimation von Targetkomponente A erhöht.

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