DE102013202851A1

DE102013202851A1 - Schichtsystem zur ermittlung von eigenschaften der materialien von funktionsschichten und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102013202851A1
Application number: DE201310202851
Authority: DE
Inventors: Sandra Kauffmann-Weiß; Sebastian Fähler; Ludwig Reichel; Sven Hamann; Alfred Ludwig
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-08-21

Abstract

Schichtsystem zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten und Verfahren zu seiner Herstellung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaft und betrifft ein Schichtsystem und ein Verfahren zu seiner Herstellung, welche für die Ermittlung der optimalen Zusammensetzung von Materialien mit gewünschten Eigenschaften angewandt werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Schichtsystem und eines Verfahrens zu seiner Herstellung, mit dem in kurzer Zeit und mit geringem Materialaufwand eine Vielzahl an Proben hergestellt werden können. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Schichtsystem, mindestens bestehend aus einer ersten Schicht mit einer bestimmten Kristallorientierung, einer direkt darauf angeordneten zweiten Schicht, und dritten Schicht, wobei die zweite Schicht einerseits epitaktisch auf die erste Schicht aufgewachsen ist und andererseits eine kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung in mindestens einer lateralen Richtung aufweist, und wobei die dritte Schicht eine Funktionsschicht ist, die epitaktisch auf die zweite Schicht aufgewachsen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaft und betrifft ein Schichtsystem zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten und ein Verfahren zu seiner Herstellung, welche für die Ermittlung der optimalen Zusammensetzung von Materialien mit gewünschten beispielsweise magnetischen Eigenschaften angewandt werden kann, wobei diese Materialien dann z.B. als Sensoren oder Aktoren oder Kühlaggregate Anwendung finden.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, durch Variation der Zusammensetzung und Dehnung von Materialien deren Eigenschaften zu beeinflussen und zu optimieren.
Eine systematische Variation der Zusammensetzung zur Ermittlung der Eigenschaften der Materialien in Schichten kann mit Hilfe der bekannten kombinatorischen Schichtherstellung und Charakterisierung erfolgen. Dabei können in einem Herstellungsprozess mehr als 300 Proben mit unterschiedlicher Zusammensetzung auf einem Substrat hergestellt werden (A. Ludwig et al. Int. J. Mater. Res. 99, 1144–1149, 2008). Derartige Proben werden als Materialbibliotheken bezeichnet und erlauben es, den Zusammensetzungsbereich kompletter binärer und ternärer Materialsysteme abzudecken und diese hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Struktur, elektrischer und magnetischer Eigenschaften umfassend zu charakterisieren (S. Thienhaus et.al. Sci. Technol. Adv. Mat. 12, 054206, 2011).
Unter Epitaxie wird eine Form des Kristallwachstums auf einem kristallinen Substrat verstanden, bei dem die Orientierung des Schichtgitters durch das unterliegende Substratgitter festgelegt wird. Vom Substrat werden dabei zwei Gitterabstände in zwei verschiedene Kristallrichtungen vorgegeben. Dabei stehen die Netzebenen des Schicht- und Substratgitters in einer festen Orientierungsbeziehung zu einander. Besitzen Substrat und Schicht unterschiedliche Kristallstrukturen, und damit unterschiedliche Symmetrien, kann das zu einem verdrehten Schichtwachstum führen, bei dem die Kristallachsen der Schicht z.B. um 45° gedreht auf dem Substrat aufwachsen. Durch Epitaxie kann ein einkristall-ähnliches Schichtwachstum erreicht werden.
Dehnungseffekte in Funktionsschichten sind von großem Interesse, um Materialeigenschaften zu verbessern und einzustellen. Durch gedehnt epitaktisches Schichtwachstum können die Eigenschaften u.a. in Halbleitern (J. C. Bean, Science 230, 127, 1985), Multiferrorika (J. Wang, et al. Science 299, 1719, 2003) und ferromagnetischen Materialien (A. Winkelmann, et al. Phys. Rev. Lett. 96. 257205, 2006) eingestellt werden. Für das Legierungssystem Fe-Co ist eine starke Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften vom Verzerrungszustand der Einheitszelle zu erwarten (Burkert et al. Phys. Rev. Let. 93, 027203, 2004). Im entspannten Zustand ist diese kubisch und besitzt folglich keine magnetokristalline Anisotropie. Es wird erwartet, dass sich bei einer tetragonalen Dehnung der Einheitszelle eine magnetische Vorzugsrichtung mit hoher Anisotropieenergie einstellt (Neise et al. Phys. Status Solid B 248, 2398, 2011). Das System Fe-Co ist deshalb potentiell für zahlreiche Anwendungen, wie z.B. für die magnetische Datenspeicherung interessant. Für die magnetische Formgedächtnissysteme Fe-Pd und Fe-Pd-Cu konnten dehnungsabhängige Effekte schon an Einzelproben auf verschiedenen Substratmaterialien, wie Cr, Au, Pd, Ir, Rh und Cu gezeigt werden (J. Buschbeck, et al. Phys. Rev. Lett. 103, 216101, 2009; S. Kauffmann-Weiss, et al. Phys. Rev. Lett. 107, 206105, 2011). Je nach verwendetem Substratmaterial zeigen Fe-Pd und Fe-Pd-Cu eine starke Abhängigkeit der Gitterparameter und damit der tetragonalen Verzerrung, welches wiederum Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften hat. Zum Beispiel zeigt die magnetokristalline Anisotropie ein Maximum für hohe tetragonale Verzerrungen (c/a > 1,3).
Aus der EP 0 840 942 B1 ist ein auf einem Substrat aufgewachsenes Halbleiterbauelement bekannt, umfassend ein Galliumarsenidsubstrat, das aus der Kombination eines GaAs-Substrates und einer das GaAs-Substrat bedeckenden Schicht besteht und konstante Molanteile von Ga- und As-Atomen und eine Kristallstruktur besitzt, die eine erste Gitterkonstante definiert, und ein Indium-enthaltendes Halbleitermaterial mit einer zweiten Gitterkonstante, die von der ersten Gitterkonstante verschieden ist. Das Halbleiterbauelement enthält weiterhin eine Pufferschicht, die sich direkt auf dem Galliumarsenidsubstrat und direkt zwischen dem Substrat und dem Indium-enthaltenden Material befindet. Hierbei erfolgen der Schichtaufbau sowie die Gradierung der Zusammensetzungen des vorgestellten Halbleiterbauelementes vom Substrat ausgehend in Richtung des Indium-enthaltenden Materials, also in vertikaler Ausrichtung.
Aus EP 0451 502 B1 ist ein Verfahren bekannt, das ein Aufwachsen von metallischen Filmen und alternierenden Metall-Metall-Strukturen und Übergittern mit gesteuerter Orientierung realisiert. Dabei wird mittels Elektronenstrahlverdampfung auf ein Silizium- oder Germaniumsubstrat ein Kupferfilm epitaktisch abgeschieden.
Aus EP 1 437 427 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer auf einem Substrat epitaktisch abgeschiedenen Schicht bekannt, bei dem die Abscheidung so erfolgt, dass eine gewünschte Gitterparameter in der gesamten abgeschiedenen Schicht eingestellt wird. Dies erfolgt, indem auf einem kristallinen SrTiO₃-Substrat eine BaTiO₃-Schicht epitaktisch abgeschieden wird und auf diese erste Schicht eine weitere Schicht, aus Ba_xSr_1-xTiO epitaktisch abgeschieden wird. Die Einstellung der Gitterkonstante erfolgt durch die vor der Abscheidung ausgewählten Legierungsstöchiometriefaktors x (0 < x < 1). Bei einer anschließenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die höher als die Abscheidetemperatur ist, wird eine Entspannung der in der Ebene liegenden Gitterkonstante der Schicht erreicht.
Aus EP 1309989 A2 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem auf einem Halbleitersubstrat eine zweite entspannte Si_1-x-Ge_x-Schicht mit x = 0,1 bis 1 und eine dritte Schicht mindestens aus GaAs, AlAs, ZnSe und InGaP oder Si_1-yGe_y mit y ≠ x abgeschieden ist. Dabei wird die zweite Schicht mit einem wachsenden Anteil an x abgeschieden und in die dritte Schicht Ionen eingebracht.
Weiterhin ist aus EP 0209523 A1 ein Verfahren zum Aufwachsen von epitaktischen Schichten aus Halbleitermaterialien auf einem Substrat bekannt, bei dem die Gitterkonstante der epitaktischen Schicht sich von einer ursprünglichen Gitterkonstante im Bereich des Substrates zu einer End-Gitterkonstante an der Oberfläche der epitaktischen Schicht ändert.
Ebenfalls bekannt aus WO 01/43865 A1 ist ein Verfahren zur kombinatorischen Herstellung einer Bibliothek von Materialien in Form einer zweidimensionalen Matrix im Oberflächenbereich eines flächigen Substrates durch Sputtern, wobei das zum Sputtern verwendete flächige Target parallel zum flächigen Substrat angeordnet ist und Oberflächenbereiche unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufweist. Weiterhin ist aus der WO 01/43865 A1 ein Verfahren zur kombinatorischen Herstellung einer Bibliothek von Materialien im Oberflächenbereich eines flächigen Substrates durch Sputtern bekannt, bei dem ein bandförmiges Substrat in Längsrichtung verschoben wird und mindestens zwei zum Sputtern verwendete Targets unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen über dem Band entlang der Verschieberichtung angeordnet sind.
Aus US 2008/0076679 A1 ist außerdem ein System und ein Verfahren zur Herstellung kombinatorischer Materialbibliotheken bekannt, bei dem das Verfahren aus dem Sputtern von Precursormaterialien, dem thermischen Aktivieren der Precursormaterialien auf dem Substrat, dem anschließenden Beleuchten der Schichtoberfläche mit quasi-monochromatischem Licht, dem Fokussieren eines modulierten Laserstrahles auf einen Bereich innerhalb der Schichtoberfläche, auf den das quasi-monochromatischem Licht strahlt sowie das Detektieren eines differenziellen Signals aufgrund der Reflexion des Laserstrahles. Durch dieses Verfahren ist es möglich, eine Reihe von chemischen Elementen in verschiedenen Kombinationen von atomaren Molanteilen der jeweiligen Elemente, diskret oder kontinuierlich, und auf einem oder mehreren Substraten die komplexen Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung, der kristallinen Struktur und der physikalischen Eigenschaften eines solchen Mehrkomponentenmaterialsystems zu untersuchen.
Nachteilig aus dem Stand der Technik ist, dass für die Ermittlung von Eigenschaften von Funktionsschichten eine Vielzahl an epitaktischen Proben hergestellt und charakterisiert werden muss, was einen hohen Zeit- und Materialaufwand sowohl für die Herstellung als auch für die Auswertung der Proben erfordert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Schichtsystem zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten und eines Verfahrens zu seiner Herstellung, mit dem in relativ kurzer Zeit und mit geringem Materialaufwand eine Vielzahl an Proben mit unterschiedlichen Eigenschaften vorhanden ist und hergestellt werden können und damit in deutlich kürzerer Zeit die Ermittlung und Optimierung der Eigenschaften von Funktionsschichtmaterialien realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten besteht mindestens aus einer ersten Schicht mit einer bestimmten Kristallorientierung, einer direkt darauf angeordneten zweiten Schicht, und einer direkt darauf angeordneten dritten Schicht, wobei die zweite Schicht einerseits epitaktisch auf die erste Schicht aufgewachsen ist und andererseits eine kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung in mindestens einer lateralen Richtung aufweist, und wobei die dritte Schicht eine Funktionsschicht ist, die epitaktisch auf die zweite Schicht aufgewachsen ist.
Vorteilhafterweise ist die erste Schicht ein Substrat oder ein oder mehrere Schichten mit funktionellen Eigenschaften, wobei mindestens das Substrat oder die Schicht, die sich mit der zweiten Schicht in stoffschlüssigem Kontakt befindet, eine bestimmte Kristallorientierung und bestimmte Gitterparameter in der Ebene aufweisen.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist eine Schicht mit einer funktionellen Eigenschaft eine Haftschicht oder eine Strukturierungsschicht, wobei noch vorteilhafterweise die Haftschicht aus Cu oder aus einer Verbindung Cu-Au, Cu-Pd, Cu-Pt oder Au-Ag besteht und die Strukturierungsschicht eine Fotolackschicht ist.
Weiterhin vorteilhafterweise weist die zweite Schicht mindestens eine binäre Zusammensetzung aus zwei Elementen oder Legierungen oder Verbindungen auf, wobei noch vorteilhafterweise die zweite Schicht aus zwei Elementen zusammengesetzt ist, deren Zusammensetzung sich in einer oder in zwei lateralen Richtungen kontinuierlich ändert, oder noch vorteilhafterweise die zweite Schicht aus einem Element und einer Legierung zusammengesetzt ist, deren Zusammensetzung sich in einer lateralen Richtung kontinuierlich ändert.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die zweite Schicht aus mindestens zwei Elementen oder Legierungen oder Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe Au, Cr, Pd, Fe, Rh, Ir, Cu, Ag, Pt, Ni zusammengesetzt ist.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Funktionsschicht aus einer Verbindung basierend auf den Systemen Fe-Co, Fe-Pd, Fe-Pt, Fe-Co-Ni, Fe-Co-Cu, Fe-Pt-Mn oder Cu-Mn-Co besteht.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Funktionsschicht eine kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung in lateraler Richtung aufweist, wobei noch vorteilhafterweise die Richtung der kontinuierlichen Änderung der Zusammensetzung der Funktionsschicht in einem Winkel, vorteilhafterweise 90°, zur Richtung der Änderung der Zusammensetzung der zweiten Schicht verläuft.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten werden mindestens auf eine erste Schicht mit einer bestimmten Kristallorientierung eine zweite Schicht aus mindestens zwei Elementen oder Legierungen oder Verbindungen mit kontinuierlicher Änderung der Zusammensetzung in lateraler Richtung epitaktisch aufgebracht und nachfolgend mindestens eine dritte Schicht epitaktisch aufgebracht, wobei mindestens die zweite Schicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Vorteilhafterweise werden auf die erste Schicht ein oder mehrere Schichten mit funktionellen Eigenschaften aufgebracht werden.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden Strukturierungsschichten aufgebracht, die nach dem Aufbringen der dritten Schicht ganz oder teilweise entfernt werden.
Weiterhin vorteilhafterweise werden die Schichten mittels Sputterns aufgebracht.
Vorteilhaft ist es auch, wenn zwei Elemente oder Legierungen oder Verbindungen mittels Sputtern auf die erste Schicht aufgebracht werden, wobei die kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung durch zunehmenden Abtrag des einen Elementes oder der einen Legierung oder Verbindung und durch abnehmenden Abtrag des anderen Elementes oder der anderen Legierung oder Verbindung realisiert wird.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn nach Herstellung des Schichtsystems einzelne oder mehrere Schichten entfernt werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Entfernen der Schichten mittels Ätzen realisiert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, ein Schichtsystem zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten und ein Verfahrens zu seiner Herstellung anzugeben, mit dem in relativ kurzer Zeit und mit geringem Materialaufwand eine Vielzahl an Proben mit unterschiedlichen Eigenschaften vorhanden ist und hergestellt werden können und damit in deutlich kürzerer Zeit die Ermittlung und Optimierung der Eigenschaften von Funktionsschichtmaterialien realisiert werden kann.
Erreicht wird dies durch ein Schichtsystem zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten, welches mindestens aus drei Schichten besteht.
Die erste Schicht muss eine beliebige, gewünschte, bestimmte Kristallstruktur mit Orientierung aufweisen. Die erste Schicht kann auch ein Substrat, beispielsweise ein Siliziumwafer sein. Ebenso kann die erste Schicht aus einem Schichtsystem aus mehreren Schichten auf einem Substrat oder freistehend bestehen. Diese mehreren Schichten sind Schichten mit funktionellen Eigenschaften, wie beispielsweise eine Haftschicht oder eine Strukturierungsschicht. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, dass die erste Schicht, die sich im stoffschlüssigen Kontakt mit der zweiten Schicht befindet, eine gewünschte, bestimmte Kristallorientierung aufweist, auf die dann die zweite Schicht epitaktisch aufwächst, die in einer bestimmten Orientierungsbeziehung mit der ersten Schicht steht.
Als Haftschicht kann vorteilhafterweise eine Schicht aus Cu oder aus einer Verbindung Cu-Au, Cu-Pd Cu-Pt oder Au-Ag auf ein Substrat aufgebracht werden. Diese vorteilhaften Materialien weisen mindestens in einem bestimmten Zusammensetzungsbereich die gewünschte, bestimmte Kristallstruktur auf, die ein epitaktisches Wachstum der zweiten Schicht fördert,
Als Strukturierungsschicht kann vorteilhafterweise eine Fotolackschicht aufgebracht werden, die beispielsweise auf ein Substrat aufgebracht, mit einer Maske belichtet und darauf anschließend die zweite und dritte Schicht aufgebracht werden. Die belichteten oder unbelichteten Teile der Fotolackschicht, je nachdem welche Art von Fotolack (Positiv- oder Negativ-Fotolack) eingesetzt worden ist, können nach den Abscheideschritten entfernt werden, so dass nach Muster der Maske eine Vielzahl von einzelnen Bereichen hergestellt worden sind.
Auf die erste Schicht wird erfindungsgemäß direkt eine zweite Schicht aufgebracht, die epitaktisch auf der ersten Schicht aufgewachsen ist und damit mindestens im Bereich des Kontaktes zwischen erster und zweiter Schicht die gewünschte bestimmte Kristallstruktur angenommen und die Kristallorientierung der ersten Schicht übernommen hat. Geringfügige Unterschiede in den Orientierungen der Kristalle der ersten und zweiten Schicht sind für epitaktisch aufgewachsene Schichten bekannt und können erfindungsgemäß ebenfalls vorliegen und werden mittels der Orientierungsbeziehung angegeben. Für die zweite Schicht muss eine vorteilhafte Schichtdicke gewählt werden. Bei einer Gitterfehlpassung zwischen erster und zweiter Schicht, d. h einer Abweichung der in Beziehung stehenden Netzebenenabstände, muss eine ausreichenden Dicke gewählt werden, die eine Relaxation der Gitterparameter in Richtung des Gleichgewichtswertes erlaubt. Außerdem muss gewährleistet sein, dass die zweite Schicht geschlossen und zusammenhängend aufwächst. Nachdem der Gleichgewichtswert des Gitterparameters erreicht ist, ist eine weitere Erhöhung der Schichtdicke der zweiten Schicht technologisch nicht notwendig und kann unterbleiben um Herstellungszeit und Kosten zu reduzieren. Diese zweite Schicht weist weiterhin erfindungsgemäß eine kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung der Schicht in lateraler Richtung auf. Unter lateral soll im Rahmen der Erfindung die Ausdehnung der Schicht in x- oder y-Richtung verstanden werden. Dies bedeutet, das die Ausdehnung der Schicht entlang der Länge (x-Richtung) der Schicht eine Änderung der Zusammensetzung aufweist und nicht entlang der Breite und Höhe der Schicht, oder dass die Ausdehnung der Schicht entlang der Breite (y-Richtung) der Schicht eine Änderung der Zusammensetzung aufweist und nicht entlang der Länge und Höhe. Ebenfalls soll unter lateral auch eine Ausdehnung der Schicht in einem Winkel zwischen x- und y-Richtung verstanden werden. Entlang der dritten Raumrichtung senkrecht zur ersten Schicht (z-Richtung) ist erfindungsgemäß die Zusammensetzung konstant und es wird kein Einfluss auf den Gitterparameter ausgeübt. Dies unterscheidet die vorliegende erfindungsgemäße Lösung grundsätzlich von den Lösungen des Standes der Technik, bei denen immer eine Variation der Zusammensetzung und damit der Gitterparameter entlang der z-Richtung realisiert wurde.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Schicht als binäre Schicht aus zwei Elementen besteht und sich die Zusammensetzung von 100 % des ersten Elementes auf der einen Seite der ersten Schicht bis zu 100 % des zweiten Elementes auf der anderen Seite der ersten Schicht kontinuierlich entlang der Länge oder Breite der ersten Schicht ändert. Wenn sich beispielsweise die Zusammensetzung kontinuierlich über die Länge der ersten Schicht ändert, so bleibt die Zusammensetzung bei einer bestimmten Breite über diese bestimmte Breite jeweils gleich, so dass in diesem Fall einerseits eine Vielzahl an Proben mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung (entlang der Länge der ersten Schicht) und eine Vielzahl an Proben mit einer gleichen Zusammensetzung (entlang jeweils einer Breite der ersten Schicht) vorhanden sind.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, die zweite Schicht aus mehr als zwei Elementen herzustellen, wobei sich dann die Zusammensetzung in mehreren lateralen Richtungen kontinuierlich ändert.
Ebenfalls ist es erfindungsgemäß möglich, die zweite Schicht aus einem Element und einer Legierung herzustellen, wobei sich dann die Zusammensetzung in einer lateralen Richtung kontinuierlich ändert.
Als Elemente für die zweite Schicht können Au, Cr, Pd, Fe, Rh, Ir, Cu, Ag, Pt, Ni eingesetzt werden, wobei auch Legierungen oder Verbindungen dieser Elemente eingesetzt werden können.
Durch die kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung wird eine kontinuierliche Änderung der Gitterparameter der zweiten Schicht in der mindestens einen lateralen Richtung erreicht.
Auf der zweiten Schicht befindet sich direkt mindestens eine dritte Schicht, die epitaktisch aufgewachsen ist und die die Funktionsschicht ist, deren Eigenschaften ermittelt werden sollen.
Beim epitaktischen Aufwachsen der dritten Schicht wird wiederum die Orientierung der zweiten Schicht übernommen, die durch die kontinuierlich geänderte Zusammensetzung in mindestens einer lateralen Richtung und damit den kontinuierlich geänderten Gitterparameter in mindestens einer lateralen Richtung an die dritte Schicht überträgt. Damit ändern sich die Eigenschaften der dritten Schicht, die von der Kristallstruktur und der Gitterparameter abhängen kontinuierlich. Solche Eigenschaften, die von der Kristallstruktur und der Gitterparameter abhängen sind beispielsweise magnetische und elektrische Eigenschaften, wie ferroelektrische und ferromagnetische Eigenschaften, der E-Modul, die Härte, die elektrische Leitfähigkeit.
Erfindungsgemäß kann die dritte Schicht auch ein Schichtsystem aus einer oder mehreren Schichten sein, wobei im Falle von mehreren Schichten der Einfluss der Kristallstruktur berücksichtigt werden muss.
Vorteilhafterweise kann auch die dritte Schicht so aufgebracht werden, dass sich ihre Zusammensetzung kontinuierlich in mindestens einer lateralen Richtung ändert. Ebenso kann die dritte Schicht in einem Winkel, vorteilhafterweise in einem Winkel von 90° zur Richtung der Zusammensetzungsänderung der zweiten Schicht aufgebracht werden. Auch kann eine kontinuierliche Änderung der Schichtdicke der dritten Schicht die Untersuchung des Einfluss der Schichtdicke auf die Eigenschaften ermöglichen. Weiterhin kann durch Änderung der Temperatur oder anderer Herstellungsbedingungen deren Einfluss auf die Eigenschaften der dritten Schicht ebenfalls mit ermittelt werden. Erfindungsgemäß hergestellt werden Schichtsysteme zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten indem mindestens auf eine erste Schicht mit einer bestimmten Kristallstruktur eine zweite Schicht aus mindestens zwei Elementen oder Legierungen oder Verbindungen mit kontinuierlicher Änderung der Zusammensetzung in lateraler Richtung aufgebracht und nachfolgend mindestens eine dritte Schicht aufgebracht wird, wobei die zweite und dritte Schicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Vorteilhafterweise wird dies mittels Sputterns durchgeführt.
Auch alle möglichen weiteren funktionellen Schichten des erfindungsgemäßen Schichtsystems können mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, vorteilhafterweise mittels Sputterns, abgeschieden werden. Eine Strukturierungsschicht, welche konventionell chemisch aufgebracht wird, wird mittels Lösungsmittel ganz oder teilweise entfernt.
Ebenfalls kann die erfindungsgemäße zweite Schicht als Schicht hergestellt werden, die nach dem Aufbringen der erfindungsgemäßen dritten Schicht entfernt werden kann, beispielsweise mit einem Ätzmittel, so dass eine freistehende dritte Schicht oder freistehende Funktionsschichten vorliegen können.
Ein epitaktisches Wachstum der aufgebrachten Schichten wird dann erreicht, wenn die abgeschiedenen Materialien innerhalb einer Schicht, also die gleichzeitig abgeschiedenen Elemente, vorteilhafterweise eine gleiche Kristallstruktur aufweisen. Zum Beispiel weisen Cu als auch Au eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur auf und bilden dann in der Cu-Au-Legierung einen Mischkristall über den kompletten Konzentrationsbereich. Dabei ist es auch möglich, dass nur bestimmte Zusammensetzungsbereiche der ausgewählten Materialien dann vorteilhafterweise eine gleiche Kristallstruktur mit Mischkristallbereich aufweisen.
Eine Vielzahl von funktionellen Eigenschaften von Materialschichten lassen sich verbessern, indem durch kohärentes epitaktisches Wachstum die lateralen Gitterparameter der Schicht an die Gitterparameter des Substrates angepasst werden. Eine gezielte Variation der Gitterparameter und der sich daraus ergebenden Verzerrung der Einheitszelle könnte beispielweise für ferroelektrische und ferromagnetische Systeme von Bedeutung sein. Um die jeweils optimalen Zusammensetzungen für die gewünschten Eigenschaften der Materialien zu ermitteln, ist das erfindungsgemäße Schichtsystem eine ausgezeichnete Lösung.
Bisher erfolgte die Suche nach den optimalen Eigenschaften einer Schichtmaterials immer seriell, d.h. es wurde eine Vielzahl an Einzelproben mit jeweils unterschiedlichen Gitterparametern präpariert und analysiert. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können bei der Herstellung der epitaktisch aufwachsenden Schichten über die Einstellung der Zusammensetzung die Gitterparameter des Materials kontinuierlich in lateraler Richtung geändert werden und damit die Eigenschaften der Funktionsschicht bei kontinuierlicher Veränderung an einer Probe ermittelt werden. Vorteilhafte (z.B. tetragonale) Verzerrungszustände der Einheitszelle der Systeme der Funktionsschicht können ermittelt und für die Einstellung magnetischer Eigenschaften, wie beispielsweise für die Datenspeicherung, genutzt werden.
Die vorliegende erfinderische Lösung bietet die Möglichkeit, schnell und effektiv Eigenschaften von Funktionsschichten zu analysieren und zu charakterisieren. Dadurch wird es möglich, eine Bibliothek von Proben mit kontinuierlich geänderten Gitterparametern und damit kontinuierlich geänderten Verzerrungszuständen zur Verfügung zu stellen.
Mit der erfinderischen Lösung ist es nunmehr möglich, in nur einem Herstellungsprozess ein Schichtsystem mit einer großen Anzahl von Probenpunkten herzustellen, wobei die Probenpunkte für sich jeweils lateral eine unterschiedliche Zusammensetzung und unterschiedliche Gitterparameter, jedoch in vertikaler Richtung, also von der ersten zur dritten Schicht eine gleiche Zusammensetzung aufweisen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird auf einem Substrat eine strukturierbare Schicht aufgetragen, die dazu dient, durch beispielweise anschließendes Ätzen oder durch Fotolithographie eine Struktur in dieser Schicht zu erzeugen, die der gewünschten Anwendung entspricht und eine gezieltes epitaktisches Wachstum der darauf angeordneten Schicht ermöglicht.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beispiel 1
Auf einem oxidierten 4-Zoll-Siliziumwafern mit (100)-Orientierung (Oxiddicke 1 nm) wird ein säurebeständiger Positiv-Polymerlack (Micro-Chemicals AZ 1518) mittels Spin-Coater in einer Dicke von 1.8 µm aufgebracht. Der Siliziumwafer wird dann mit einer Folienmaske in diskrete 3 × 3 mm² große Quadrate strukturiert, indem diese Bereiche in einem photolithographischen Belichtungsprozesses durch einen Ma6/Ba6 Maskenbelichter der Firma Suess belichtet werden. Das Belichten dieser 3 × 3 mm² großen Quadrate erlaubt dann eine Entfernung des Polymerslacks, wodurch im anschließenden Beschichtungsvorgange diskrete 3 × 3 mm² große Bereiche hergestellt werden, die das erfindungsgemäße Schichtsystem aufweisen. Anschließend wird das natürliche Oberflächenoxid durch Ätzen mit 10%iger Flusssäure entfernt, der Wafer in destilliertem Wasser gespült und getrocknet. Danach wird der strukturierte Wafer innerhalb von 10 Minuten nach Entnahme aus der Ätzlösung in die Vorkammer einer UHV-Sputteranlage eingeschleust. Für die Abscheidung der Cu-Haftschicht wird zunächst das Plasma des Cu-Targets gezündet, wobei eine Sputterleistung für eine Cu-Schichtdicke von 5 nm mit 100 W (Hochfrequenz, Wechselstrom) sowie einer Rate von 0,044 nm/s und einer Beschichtungsdauer von 114s bei Substratrotation während der Beschichtung eingestellt wird. Nach Abschluss der Cu-Abscheidung wird das Cu-Target wieder geschlossen. Das Si-Substrat (Diamant Struktur) mit der Cu-Haftschicht bilden die erste Schicht und weist eine kubisch-flächen-zentrierte (kfz) Kristallstruktur mit folgender Orientierungsbeziehung Cu(001)[100]|| |Si(001)[110] auf.
Im Anschluss daran erfolgt das Aufbringen der zweiten Schicht bestehend aus Cu und Au, bei der beide Elementtargets bei dem eingestellten Arbeitsdruck gezündet werden(Au 35 W, Rate 0,019 nm/s) und Cu 100 W (Rate 0,044 nm/s). Die Verschlusskappen der beiden Targets werden dabei zeitgleich geöffnet. Aufgrund der beiden direkt gegenüber angeordneten Targets wird entlang der Verbindungslinie die kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung von Au zu Cu auf der Haftschicht des Wafers erzeugt und nach 30 min Sputterzeit eine 50nm dicke Au-Cu abgeschieden, deren Zusammensetzung sich von der Au-reichen Legierung von 50 at.-% Au auf der Seite des Au-Targets zu einer Cu-reichen Legierung von 11 at.-% Au auf der Seite des Cu-Targets ändert. Durch das Sputtern und die ausgewählten Materialien wächst die abgeschiedene Au-Cu-Schicht epitaktisch auf und übernimmt im Bereich des stoffschlüssigen Kontaktes zur Cu-Haftschicht die Kristallstruktur der Cu-Haftschicht.
Nachfolgend wird eine Fe-Pd-Schicht als dritte Schicht oder Funktionsschicht gegenüber den ebenfalls in der Kammer befindlichen Elementtargets (Fe und Pd) abgeschieden. Ihre Verbindungslinie ist im Winkel von 90 ° zur Linie der Au-Cu-Schicht ausgerichtet, so dass eine kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung in einem Winkel von 90° zur kontinuierlichen Änderung der Zusammensetzung der Au-Cu-Schicht hergestellt wird. Das Abscheiden erfolgt wieder beim eingestellten Arbeitsdruck, wobei die Leistungen der Targets 59 W für Fe (Gleichstrom) und 70 W für Palladium (Wechselstrom) betragen. Nach einem 30 minütigen Abscheidevorgang in der Kammer ist eine Schichtdicke von 50 nm der Fe-Pd-Schicht erreicht und der Sputterprozess wird beendet. Die Funktionsschicht hat durch das epitaktische Aufwachsen eine Kristallorientierung zu der zweiten Schicht an deren Oberfläche übernommen und weist damit eine kontinuierliche Änderung der Gitterparameter, verbunden mit einer Änderung der Kristallstruktur entlang der Verbindungslinie von Au zu Cu auf.
Abschließend wird der beschichtete Wafer zunächst in ein Acetonbad gehalten und mit Hilfe von Ultraschall der am Beginn des Herstellungsprozesses aufgebrachte Polymerlack und die auf ihm abgeschiedenen Schichten entfernt und getrocknet. Durch die Strukturierung sind 301 Bereiche (Probenpunkte) des Schichtsystems entstanden, wobei innerhalb jedes einzelnen Bereiches die Zusammensetzung der einzelnen Schichten in allen drei Raumrichtungen im Wesentlichen gleich ist und damit auch die Kristallstruktur und die Gitterparameter.
Anschließend erfolgt die Charakterisierung der 301 Probenpunkte mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX). Dabei wird die Zusammensetzung der zweiten Schicht für jeden einzelnen Probenpunkt bestimmt, wobei eine Änderung der Zusammensetzung in lateraler Richtung entlang der Verbindungslinie Cu zu Au von 11 at.-% zu 50 at.-% Au ergab. In der Funktionsschicht Fe-Pd ergab sich eine Änderung der Zusammensetzung in lateraler Richtung entlang der Verbindungslinie Fe zu Pd von 24 at.-%zu 63 at.-%.Pd.
Mittels Röntgenbeugung (XRD) wurden die Gitterparameter der zweiten Schichtbestimmt. Die Gitterkonstante veränderte sich kontinuierlich von 0,364 nm (Cu-reiche Seite) auf 0,383 nm (Au-reiche Seite). Die für die Charakterisierung der einzelnen Probenpunkte ausgewählten Linienscans sind in 1 mit der Übersicht über alle 301 Punkte dargestellt.
Es konnte festgestellt werden, dass die Zusammensetzung der Funktionsschicht im Probenpunkt 108 den besten Wert für die magnetische Anisotropiekonstante K₁ von –2·10^–5 J/m³ ergab, wobei die den Probenpunkt 108 unmittelbar umgebenden Probenpunkte nur geringfügig schlechtere Werte für die magnetische Anisotropiekonstante aufwiesen. Für die Herstellung und Ermittlung der optimalen Zusammensetzung für die magnetokristalline Anisotropie wurde insgesamt eine Zeit von 10 Tagen benötigt, was gegenüber einer seriellen Ermittlung eine deutliche Zeiteinsparung bedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0840942 B1 [0006]
EP 0451502 B1 [0007]
EP 1437427 A1 [0008]
EP 1309989 A2 [0009]
EP 0209523 A1 [0010]
WO 01/43865 A1 [0011, 0011]
US 2008/0076679 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Ludwig et al. Int. J. Mater. Res. 99, 1144–1149, 2008 [0003]
S. Thienhaus et.al. Sci. Technol. Adv. Mat. 12, 054206, 2011 [0003]
J. C. Bean, Science 230, 127, 1985 [0005]
J. Wang, et al. Science 299, 1719, 2003 [0005]
A. Winkelmann, et al. Phys. Rev. Lett. 96. 257205, 2006 [0005]
Burkert et al. Phys. Rev. Let. 93, 027203, 2004 [0005]
Neise et al. Phys. Status Solid B 248, 2398, 2011 [0005]
J. Buschbeck, et al. Phys. Rev. Lett. 103, 216101, 2009 [0005]
S. Kauffmann-Weiss, et al. Phys. Rev. Lett. 107, 206105, 2011 [0005]

Claims

Schichtsystem zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten, mindestens bestehend aus einer ersten Schicht mit einer bestimmten Kristallorientierung, einer direkt darauf angeordneten zweiten Schicht, und einer direkt darauf angeordneten dritten Schicht, wobei die zweite Schicht einerseits epitaktisch auf die erste Schicht aufgewachsen ist und andererseits eine kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung in mindestens einer lateralen Richtung aufweist, und wobei die dritte Schicht eine Funktionsschicht ist, die epitaktisch auf die zweite Schicht aufgewachsen ist.
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die erste Schicht ein Substrat oder ein oder mehrere Schichten mit funktionellen Eigenschaften ist, wobei mindestens das Substrat oder die Schicht, die mit der zweiten Schicht in stoffschlüssigem Kontakt befinden, eine bestimmte Kristallorientierung und bestimmte Gitterparameter in der Ebene aufweisen.
Schichtsystem nach Anspruch 2, bei dem eine Schicht mit einer funktionellen Eigenschaft eine Haftschicht oder eine Strukturierungsschicht ist.
Schichtsystem nach Anspruch 3, bei dem die Haftschicht aus Cu oder aus einer Verbindung Cu-Au, Cu-Pd, Cu-Pt oder Au-Ag besteht.
Schichtsystem nach Anspruch 3, bei dem die Strukturierungsschicht eine Fotolackschicht ist.
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die zweite Schicht mindestens eine binäre Zusammensetzung aus zwei Elementen oder Legierungen oder Verbindungen aufweist.
Schichtsystem nach Anspruch 6, bei dem die zweite Schicht aus zwei Elementen zusammengesetzt ist, deren Zusammensetzung sich in einer lateralen Richtung kontinuierlich ändert.
Schichtsystem nach Anspruch 6, bei dem die zweite Schicht aus vier Elementen zusammengesetzt ist, deren Zusammensetzung sich in zwei lateralen Richtungen kontinuierlich ändern.
Schichtsystem nach Anspruch 6, bei dem die zweite Schicht aus einem Element und einer Legierung zusammengesetzt ist, deren Zusammensetzung sich in einer lateralen Richtung kontinuierlich ändert.
Schichtsystem nach Anspruch 6, bei dem die zweite Schicht aus mindestens zwei Elementen oder Legierungen oder Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe Au, Cr, Pd, Fe, Rh, Ir, Cu, Ag, Pt, Ni zusammengesetzt ist.
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Funktionsschicht aus einer Verbindung basierend auf den Systemen Fe-Co, Fe-Pd, Fe-Pt, Fe-Co-Ni, Fe-Co-Cu, Fe-Pt-Mn oder Cu-Mn-Co besteht.
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Funktionsschicht eine kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung in lateraler Richtung aufweist.
Schichtsystem nach Anspruch 12, bei dem die Richtung der kontinuierlichen Änderung der Zusammensetzung der Funktionsschicht in einem Winkel, vorteilhafterweise 90°, zur Richtung der Änderung der Zusammensetzung der zweiten Schicht verläuft.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems zur Ermittlung von Eigenschaften der Materialien von Funktionsschichten, bei dem mindestens auf eine erste Schicht mit einer bestimmten Kristallorientierung eine zweite Schicht aus mindestens zwei Elementen oder Legierungen oder Verbindungen mit kontinuierlicher Änderung der Zusammensetzung in lateraler Richtung epitaktisch aufgebracht und nachfolgend mindestens eine dritte Schicht epitaktisch aufgebracht werden, wobei mindestens die zweite Schicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem auf die erste Schicht ein oder mehrere Schichten mit funktionellen Eigenschaften aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem Strukturierungsschichten aufgebracht werden, die nach dem Aufbringen der dritten Schicht ganz oder teilweise entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Schichten mittels Sputterns aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem zwei Elemente oder Legierungen oder Verbindungen mittels Sputtern auf die erste Schicht aufgebracht werden, wobei die kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung durch zunehmenden Abtrag des einen Elementes oder der einen Legierung oder Verbindung und durch abnehmenden Abtrag des anderen Elementes oder der anderen Legierung oder Verbindung realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem nach Herstellung des Schichtsystems einzelne oder mehrere Schichten entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Entfernen der Schichten mittels Ätzen realisiert wird.