DE102014103744A1 - Verfahren zum reaktiven Sputtern - Google Patents

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Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; das Zerstäuben einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei die Atommasse des mindestens einen zugeführten Arbeitsgases größer ist als die Atommasse von Argon.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reaktiven Sputtern.
  • Im Allgemeinen können verschiedene Beschichtungsverfahren dazu genutzt werden, Schichten oder Beschichtungen auf ein Substrat oder auf einen Träger aufzubringen. Zum Herstellen dünner Schichten, z.B. mit einer Schichtdicke kleiner als 200 µm oder kleiner als 100 µm, können beispielsweise chemische Gasphasenabscheidungsprozesse oder physikalische Gasphasenabscheidungsprozesse genutzt werden, wie beispielsweise die Kathodenzerstäubung (das sogenannte Sputtern bzw. die Sputterdeposition). Modifikationen der Kathodenzerstäubung sind beispielsweise das sogenannte reaktive Sputtern und das reaktive Magnetronsputtern. Bei diesen Sputter-Prozessen wird zum einen ein Arbeitsgas (z.B. Ar) verwendet, um die Kathode (das Targetmaterial) zu zerstäuben, wobei das Arbeitsgas nicht in die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht eingebaut wird, und zum anderen wird mindestens ein reaktives Gas zugesetzt, so dass das zerstäubte Targetmaterial mit dem Reaktivgas chemisch reagiert und sich die Reaktionsprodukte auf dem Substrat abscheiden.
  • Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, einen reaktiven Sputterprozess mit einer möglichst großen Sputterrate bzw. Abscheiderate bereitzustellen. Dabei kann der reaktive Sputterprozess ein zumindest teilweise oxidischer Sputterprozess sein, welcher beispielsweise im sogenannten Übergangsbereich zwischen dem metallischen Sputtern und dem oxidischen Sputtern betrieben wird, so dass ein einfaches Vergrößern der Leistung des Sputterprozesses nicht geeignet sein kann, die Sputterrate bzw. Abscheiderate dementsprechend zu beeinflussen. Dabei können/kann beispielsweise das Reaktivgas und/oder das Arbeitsgas (das Prozessgas) an die Anforderungen des Sputterprozesses angepasst werden.
  • Ferner kann ein anderer Aspekt verschiedener Ausführungsformen anschaulich darin gesehen werden, den reaktiven Sputterprozess mit einer möglichst großen Sputterrate bzw. Abscheiderate stabil zu halten oder zu stabilisieren. Dabei kann beispielsweise das Reaktivgas derart gewählt werden, dass der Sputterprozess eine ausreichend große Sputterrate bzw. Abscheiderate aufweist und gleichzeitig einen geringen Hysterese-Effekt, so dass beispielsweise die Regelung des Sputterprozesses im Übergangsbereich einfacher sein kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; das Zerstäuben einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode (Aluminium-Target), wobei die Atommasse des mindestens einen zugeführten Arbeitsgases größer ist als die Atommasse von Argon. Argon hat die Ordnungszahl (im Periodensystem der Elemente) von 18 und ein Argon-Atom hat eine Atommasse von ungefähr 39,948 u, wobei u die atomare Masseneinheit ist. Anschaulich haben die Atome der Elemente mit einer größeren Ordnungszahl als 18 im PSE eine größere Atommasse als Argon und die Elemente mit einer kleineren Ordnungszahl als 18 eine kleinere Atommasse als Argon. Die hierin beschriebene Atommasse kann sich beispielsweise auf die mittlere Atommasse des jeweiligen Elements beziehen, wobei die natürlich Isotopen-Verteilung der Elemente berücksichtigt ist. Anschaulich gesehen können beispielsweise Atome der Edelgase mit einer größeren Atommasse als Argon größer sein (bezogen auf die räumliche Ausdehnung) als ein Argon-Atom.
  • Anschaulich kann die Sputterrate oder die Sputterausbeute (Yield) bei einem Sputterprozess von mehreren Faktoren in komplexer Art und Weise abhängen, wie beispielsweise von der Ionenenergie der auf das Targetmaterial auftreffenden Ionen des Arbeitsgases, der Atommasse der Atome des Arbeitsgases, dem Auftreffwinkel der auf das Targetmaterial auftreffenden Ionen des Arbeitsgases, der Anzahl der auf das Targetmaterial auftreffenden Ionen des Arbeitsgases, den Plasmaeigenschaften und vom Targetmaterial selbst.
  • Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, das Sputterverhalten oder die Sputterbedingungen dadurch zu beeinflussen, dass das verwendete Arbeitsgas entsprechend angepasst wird. Beispielsweise kann ein Gasgemisch und/oder ein schwereres Arbeitsgas als Argon verwendet werden, und/oder das verwendete Reaktivgas kann entsprechend angepasst werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein reaktives Sputterverfahren bereitgestellt werden, bei welchem die Sputterrate je Leistung vergrößert ist (gegenüber herkömmlichen reaktiven Sputterverfahren) und/oder wobei der Hysterese-Effekt beim reaktiven Sputterprozess verringert ist (gegenüber herkömmlichen reaktiven Sputterverfahren), beispielsweise beim reaktiven Sputtern von AlOxNy unter Verwendung mindestens einer Großkathode (z.B. mit einer Länge der Kathode bzw. des Targets von mehr als ungefähr einem Meter).
  • Ferner können Krypton und/oder Xenon als Arbeitsgas oder als ein Teil des Arbeitsgases verwendet werden. Ferner kann das mindestens eine Arbeitsgas mehrere Arbeitsgase als Gasgemisch aufweisen, wobei das Gasgemisch Argon und mindestens ein Arbeitsgas, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, aufweisen kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas, beispielsweise zum Sputtern von Aluminium, einen Stoffmengenanteil an Argon in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 0% bis 99% aufweisen, und einen entsprechenden Anteil an einem schwereren Arbeitsgas (z.B. Krypton und/oder Xenon) in einem Bereich von ungefähr 100% bis ungefähr 1%.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas, beispielsweise zum Sputtern von Aluminium, einen Stoffmengenanteil an Argon in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 0% bis 90% aufweisen, und einen entsprechenden Anteil an einem schwereren Arbeitsgas (z.B. Krypton und/oder Xenon) in einem Bereich von ungefähr 100% bis ungefähr 10%. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas, beispielsweise zum Sputtern von Aluminium, einen Stoffmengenanteil an Argon in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 0% bis 80% aufweisen, und einen entsprechenden Anteil an einem schwereren Arbeitsgas (z.B. Krypton und/oder Xenon) in einem Bereich von ungefähr 100% bis ungefähr 20%. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas, beispielsweise zum Sputtern von Aluminium, einen Stoffmengenanteil an Argon in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 20% bis 80% aufweisen, und einen entsprechenden Anteil an einem schwereren Arbeitsgas (z.B. Krypton und/oder Xenon) in einem Bereich von ungefähr 80% bis ungefähr 20%.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas zwei verschiedene Gase aufweisen, z.B. Argon und Krypton oder Argon und Xenon. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas drei verschiedene Gase aufweisen, z.B. Argon, Krypton und Xenon. Ferner kann das Arbeitsgas auch zusätzlich ein leichteres Arbeitsgas als Argon aufweisen, z.B. Neon.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gas, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, als Arbeitsgas in einem Sputterprozess zum Zerstäuben einer Kathode verwendet werden, wobei die Kathode ein zu zerstäubendes Material aufweist, dessen Atommasse kleiner ist, als die Atommasse des Arbeitsgases. Mit anderen Worten kann das Arbeitsgas derart gewählt werden, dass dessen Atome schwerer sein können, als die Atome des zu zerstäubenden Materials. Dabei kann das zu zerstäubende Material (das Targetmaterial) beispielsweise ein Metall oder ein Halbmetall sein oder aufweisen, z.B. mindestens eins von Folgendem aufweisend: Aluminium, Silizium, Bor, Germanium, Magnesium, Zinn, Kupfer, Arsen, Selen, Eisen, Titan, Nickel, Kobalt, Chrom, oder deren Verbindungen, z.B. deren Oxide, Nitride und/oder Oxinitride.
  • In dem Fall, dass das Arbeitsgas ein Gasgemisch aus verschiedenen Edelgasen aufweist, kann die Atommasse des Arbeitsgases auch als mittlere Atommasse entsprechend dem Mischungsverhältnis der Arbeitsgase verstanden werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gas, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, als Arbeitsgas in einem Sputterprozess zum reaktiven Sputtern eines Aluminium-Targets verwendet werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Aluminium-Target mehr als 50 Masseprozent Aluminium aufweisen, oder im Wesentlichen aus Aluminium bestehen. Das Aluminium-Target kann beispielsweise metallisches Aluminium aufweisen.
  • Ferner kann das Arbeitsgas ein Gasgemisch aufweisen, wobei das Gasgemisch Argon und mindestens ein Arbeitsgas, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, aufweist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; das Zerstäuben mindestens einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas Ozon aufweist.
  • Anschaulich kann der reaktive Sputterprozess ein zumindest teilweiser oxidischer Prozess sein, wobei das mindestens eine Reaktivgas Sauerstoff aufweisen kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; das Zerstäuben mindestens einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas NO, N2O und/oder NO2 aufweist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; das Zerstäuben einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas CO, CO2 und/oder C2N2 aufweist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum reaktiven Sputtern ferner aufweisen: das Zuführen von O2 und/oder N2 als zusätzliches Reaktivgas.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 ein Verfahren zum reaktiven Sputtern in einem schematischen Ablaufdiagramm, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 2 ein Verfahren zum reaktiven Sputtern in einem schematischen Ablaufdiagramm, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 3 ein Verfahren zum reaktiven Sputtern in einem schematischen Ablaufdiagramm, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
  • 4 ein Verfahren zum reaktiven Sputtern in einem schematischen Ablaufdiagramm, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • Eine Sputteranordnung oder Sputterbeschichtungsvorrichtung zum Durchführen eines Kathodenzerstäubungsprozesses (Sputterprozesses, Sputterdeposition) kann beispielsweise mindestens eine Vakuumkammer (z.B. eine Sputter-Kammer, eine Sputter-Prozesskammer, oder ein Kompartment) und mindestens eine Kathode (auch als Target bezeichnet) aufweisen, wobei während des Sputterprozesses Material (Targetmaterial) von der Kathode zerstäubt wird und wobei sich das zerstäubte Material in eine Richtung von der Kathode weg ausbreitet. Der Bereich an der Kathode, in dem sich das zerstäubte Material ausbreitet, kann als Prozessierbereich bezeichnet werden. Ferner kann die Sputteranordnung eine Transportvorrichtung aufweisen, mittels derer ein Substrat durch die Sputter-Prozesskammer bzw. durch den Prozessierbereich hindurch oder zumindest in den Prozessierbereich hinein geführt werden kann, so dass zumindest ein Teil des Substrats in dem Prozessierbereich beschichtet werden kann. Anschaulich kann sich beispielsweise der Prozessierbereich zwischen mindestens einem Target und mindestens einem zu beschichtenden Substrat in der Sputter-Prozesskammer erstrecken.
  • Während eines Kathodenzerstäubungsprozesses kann in dem Prozessierbereich ein Plasma bereitgestellt sein oder werden, z.B. indem mittels der Kathode ein elektrisches Feld bereitgestellt wird, wobei sich das bereitgestellte elektrische Feld zumindest teilweise in den Prozessierbereich hinein erstreckt. Mittels des Plasmas kann das Target (die Kathode) zerstäubt werden (z.B. aufgrund des Ionenbeschusses des Targets mit den im Plasma gebildeten Ionen). Zum Erzeugen des Plasmas kann mindestens ein Arbeitsgas (z.B. ein Edelgas oder Gasgemisch) in der Sputter-Prozesskammer bereitgestellt sein oder werden. Ferner kann zum reaktiven Sputtern mindestens ein Reaktivgas in der Sputter-Prozesskammer bereitgestellt sein oder werden. Die zum Sputtern verwendeten Prozessgase (ein Arbeitsgas oder mehrere Arbeitsgase und ein Reaktivgas oder mehrere Reaktivgase) können mittels einer Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer eingebracht werden, wobei das Einbringen geregelt erfolgen kann.
  • In einem Sputterprozess kann das Arbeitsgas zumindest teilweise ionisiert sein oder werden, bzw. ein Niederdruckplasma bilden, wobei das Plasma des Arbeitsgases im Wesentlichen das Zerstäuben der Kathode verursacht. Das zerstäubte Targetmaterial kann zu einer Schicht kondensieren (abgeschieden werden), wobei das Reaktivgas mittels einer chemischen Reaktion in die abgeschiedene Schicht eingebaut werden kann, z.B. kann ein Metall oder Halbmetall mittels des Arbeitsgases gesputtert werden und mittels eines zugeführten Reaktivgases kann eine Metallverbindung oder Halbmetallverbindung in dem Beschichtungsbereich auf einem Substrat abgeschieden werden, z.B. ein Metalloxid oder Halbmetalloxid mit Sauerstoff als Reaktivgas, ein Metallnitrid oder Halbmetallnitrid mit Stickstoff als Reaktivgas, ein Metalloxinitrid oder Halbmetalloxinitrid mit Sauerstoff und Stickstoff als Reaktivgase oder eine andere Metallverbindung oder Halbmetallverbindung mit einem anderen Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas weder in das Targetmaterial noch in die abgeschiedene Schicht chemische eingebaut werden, z.B. basierend auf einer chemischen Reaktion. Das Zerstäuben des Targetmaterials kann, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, angepasst werden, indem beispielsweise anschaulich ein schwereres Arbeitsgas oder ein im Mittel schwereres Arbeitsgasgemisch verwendet wird (verglichen mit Argon als Arbeitsgas).
  • Beim Magnetronsputtern (einem magnetfeldunterstützten Kathodenzerstäubungsprozess) wird die Plasmabildung mittels eines Magnetsystems (oder mittels einer Magnetanordnung) unterstützt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Magnetsystem an (in der Nähe) oder über der dem Prozessierbereich abgewandten Oberfläche des Targets (Targetoberfläche) angeordnet sein. Dabei kann das Magnetsystem derart eingerichtet sein oder eine Vielzahl von Magneten kann räumlich derart angeordnet werden, dass im Prozessierbereich ein Ionisierbereich bereitgestellt wird, in welchem sich sein Plasma bildet, z.B. kann sich das Plasma stationär ausbilden wenn die Magnetanordnung stationär ist.
  • Beim Zerstäuben des Targets bzw. der Targetoberfläche des Targets kann der Materialabtrag von der relativen Anordnung des Targets zu dem Ionisierbereich abhängen. Um einen gleichmäßigen Materialabtrag des Targetmaterials zu erreichen, kann beispielsweise die Targetoberfläche relativ zu dem Magnetsystem und dem Ionisierbereich bewegt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Target rohrförmig sein, wobei das Magnetsystem beispielsweise innerhalb des rohrförmigen Targets (des Targetrohrs oder der Rohrkathode) angeordnet sein kann, und das Targetrohr kann beispielsweise um die Achse des Targetrohrs rotiert werden. Ein Magnetron mit einem rohrförmigen Target oder mit mehreren (z.B. zwei) rohrförmigen Targets wird auch als Rohrmagnetron (z.B. Doppelrohrmagnetron) bezeichnet. Dabei kann der längserstreckte Ionisierbereich an und/oder über der äußeren Mantelfläche des Targetrohrs im Wesentlichen parallel zur Achse des Targetrohrs verlaufen.
  • Ferner kann das Target eine ebene (sogenannte planare) Targetoberfläche aufweisen, wobei der Ionisierbereich derart eingerichtet sein kann, dass eine möglichst effiziente Materialausnutzung und/oder eine möglichst homogene bzw. zum Beschichten eines Substrats geeignete räumliche Verteilung des Plasmas entsteht.
  • Im Allgemeinen kann ein Sputteranordnung in einer Vielzahl von verschiedenen Betriebsarten betrieben werden oder ein Sputterverfahren zum reaktiven Sputtern kann in einer Vielzahl von verschiedenen Betriebsarten durchgeführt werden, z.B. im sogenannten DC-Modus (Gleichspannungs-Sputtern), im AC-Modus (Wechselspannungs-Sputtern, wie beispielsweise MF-Sputtern oder HF-Sputtern), im gepulsten Modus (Hochenergieimpulsmagnetronsputtern), unipolar oder bipolar gepulste Entladung, sowohl mit einer Elektrode als auch mit mehreren Elektroden (Kathoden und/oder Anoden). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Target oder das Targetmaterial auch als Kathode bezeichnet werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Prozessgas derart dem Prozessierbereich zugeführt werden, dass die Verteilung, das Strömungsfeld, das Konzentrationsfeld, und/oder die chemische Zusammensetzung des Prozessgases (des Reaktivgases und/oder des Arbeitsgases) im Prozessierbereich eingestellt, angepasst oder geregelt werden kann, z.B. zum Bereitstellen eines Betriebspunktes, so dass eine auf dem Substrat abgeschiedene Schicht entsprechend vorgegebene Schichteigenschaften aufweist.
  • Die chemische Zusammensetzung des Prozessgases, welches jeweils mit einer entsprechenden Gaszuführung in eine Sputter-Prozesskammer eingeleitet werden kann, kann beispielsweise mittels eines Massenflussreglers, mittels eines Stellventils oder mittels mehrerer Stellventile (oder Ähnlichem) angepasst oder verändert werden.
  • Ferner können sich während eines reaktiven Sputter-Prozesses zumindest Bestandteile eines zugeführten Reaktivgases oder das zugeführte Reaktivgas in mindestens einem Bereich des Targets (z.B. auf der Targetoberfläche) anlagern. Dadurch kann die Targetoberfläche beispielsweise verändert (z.B. oxidiert und/oder nitridiert) werden, wobei diese veränderten Bereiche in dem Zerstäubungsprozess wieder zerstäubt werden können. Die Zerstäubungsrate der veränderten Bereiche kann beispielsweise abhängig von den Plasmaeigenschaften und/oder den Materialeigenschaften des Materials in dem veränderten Bereich sein. Das Bilden der veränderten Bereiche kann beispielsweise vom Partialdruck des Reaktivgases abhängig sein, wobei der Partialdruck beispielsweise mittels des Zuflusses an Reaktivgas geregelt oder eingestellt werden kann. Aufgrund einer chemischen Reaktion des Reaktivgases mit dem zerstäubten Material und/oder mit dem auf dem Substrat abgeschiedenen Material kann sich der Partialdruck des Reaktivgases mit zunehmendem Materialabtrag auch bei konstantem Zufluss an Reaktivgas reduzieren. Bei einem oberen kritischen Zufluss (OKZ) an Reaktivgas übersteigt das Bilden der veränderten Bereiche (die Erzeugungsrate) die Zerstäubungsrate. Im Falle eines oxidischen Prozesses kippt (aufgrund der verschiedenen Sputterrate eines Metalls und eines Oxids) der Sputterprozess oberhalb des OKZ in den sogenannten oxidischen Modus. Um wieder in den metallischen Modus zu gelangen, muss ein unterer kritischer Zufluss (UKZ) an Reaktivgas unterschritten werden. Der Bereich zwischen dem UKZ und dem OKZ kann auch Übergangsbereich zwischen dem metallischen Modus und dem oxidischen Modus genannt werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können es die Anforderungen an die Schichteigenschaften der abzuscheidenden Schicht bzw. die Anforderungen an die Beschichtungsraten (Abscheiderate) erfordern, dass der Sputterprozess im Übergangsbereich zwischen dem metallischen Modus und dem oxidischen Modus betrieben wird (oder in einem anderen Übergangsbereich zwischen einem metallischen Modus und einem isolierenden Modus), so dass dieser a priori instabile Prozessbereich mittels einer Regelung stabilisiert werden soll. Dabei kann beispielsweise für einen stabilen Betriebspunkt ein vordefinierter Gasdruck in der Sputter-Prozesskammer notwendig sein, so dass die Leistung des Magnetrons beispielsweise kein geeigneter Parameter sein kann, um die Sputterrate zu beeinflussen, beispielsweise zu vergrößern.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Sputterrate (bzw. die Sputterausbeute, engl. „Sputter-Yield“) und/oder die Abscheiderate (bzw. die Beschichtungsrate oder Schichtwachstumsrate) vergrößert werden, mittels mindestens einem von Folgendem: dem Verwenden eines schwereren Arbeitsgases als Argon (z.B. Krypton) (beispielsweise auch anteilig zusätzlich zu Argon); dem Ersetzen oder zumindest teilweisen Ersetzen von O2 (molekularem Sauerstoff) als Sauerstofflieferant mit einem anderen sauerstoffhaltigen Gas, wie beispielsweise CO2; dem Ersetzen oder zumindest teilweisen Ersetzen von N2 (molekularem Stickstoff) als Stickstofflieferant mit einem anderen stickstoffhaltigen Gas; dem Ersetzen oder zumindest teilweisen Ersetzen von O2 und N2 (molekularem Sauerstoff und molekularem Stickstoff) als Reaktivgaslieferanten mit einem anderen sauerstoffhaltigen und stickstoffhaltigen Gas oder mit mehreren anderen sauerstoffhaltigen und stickstoffhaltigen Gasen, wie beispielsweise NO, N2O, NO2; Sputtern unter Verwendung von Ozon als Reaktivgas.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein gasförmiges Stickoxid (Nitroses Gas oder Stickstoffoxid, NOX) als Reaktivgas in einem reaktiven Sputterprozess verwendet werden, beispielsweise zum Abscheiden eines Metalloxinitrids oder eines Halbmetalloxinitrids, beispielsweise anschaulich gesehen als Quelle für N und O in der abgeschiedenen Schicht (z.B. AlOxNy). Das Verwenden eines Stickoxids, z.B. Lachgas N2O, als Reaktivgas kann das Prozessverhalten verbessern, z.B. kann der Sputterprozess stabiler sein. Die nitrosen Gase spalten sich exotherm auf und können somit im Plasma besser gespalten werden und können als aktivierte Spezies zur Verfügung stehen. Ferner können zusätzlich N2 und/oder O2 als Zusatzgas zum Einstellen der Stöchiometrie verwendet werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann Ozon (O3) als Reaktivgas in einem reaktiven Sputterprozess genutzt werden, wobei somit mehr aktivierter Sauerstoff zur Verfügung steht, als unter Verwendung von O2. Ozon spaltet sich exotherm auf und kann beispielsweise somit im Plasma besser gespalten werden und kann ferner als aktivierte Spezies zur Verfügung stehen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gas als Sauerstofflieferant verwendet werden, welches beim Sputtern lediglich den Sauerstoff abgibt, wobei der Rest des gespaltenen Gases nicht in abgeschiedenen Schicht eingebaut wird, wie beispielsweise CO2, wobei der Kohlenstoff nicht in die Schicht eingebaut wird, da es als beispielsweise CO und/oder CO2 abgepumpt wird (zudem ist C2N2 ebenfalls volatil). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verwenden von CO2 als Prozessgas eine Entspannung des Kippens des Sputterprozesses in den oxidischen Modus verursachen. Somit kann beispielsweise das Arbeitspunktfenster (der Betriebsbereich) vergrößert sein (verglichen mit reinem O2 als Reaktivgas), so dass das Regeln des Sputterprozesses bzw. das Einstellen des optimalen Widerstandes (z.B. bei einer Impedanzregelung oder einer Leistungsregelung des Sputterprozesses) erleichtert sein kann.
  • 1 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweisen kann: in 110, das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; und, in 120, das Zerstäuben einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei die Atommasse des mindestens einen zugeführten Arbeitsgases größer ist als die Atommasse von Argon.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Aluminium-Kathode ein Rohrtarget oder ein planares (ebenes) Target sein oder aufweisen, z.B. zum Durchführen eines Rohrmagnetron-Sputterprozesses oder eines Sputterprozesses unter Verwendung eines Planarmagnetrons.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann in der Vakuumkammer ein Vakuum im Bereich des Grobvakuums, des Feinvakuums, des Hochvakuums oder des Ultrahochvakuums bereitgestellt sein oder werden. Dabei kann das Vakuum mittels einer Vakuumpumpenanordnung erzeugt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Prozessdruck innerhalb der Vakuumprozesskammer dynamisch bereitgestellt werden, wobei während des Prozesses sowohl mindestens ein Gas in die Vakuumprozesskammer eingeleitet wird, als auch Gas aus der Vakuumprozesskammer mittels der Vakuumpumpenanordnung abgepumpt wird. Dabei kann sich ein Gleichgewicht einstellen, wodurch der Prozessdruck festgelegt werden kann. Der Gasfluss durch die Vakuumprozesskammer hindurch und/oder der Prozessdruck kann dabei mittels Ventilen und/oder Sensoren geregelt und/oder gesteuert werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Zerstäuben der Aluminium-Kathode leistungsgeregelt erfolgen, wobei der Fluss des Reaktivgases und/oder des Arbeitsgases in die Vakuumkammer hinein als Stellgröße verwendet werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Zuführen des mindestens einen Reaktivgases und/oder des mindestens einen Arbeitsgas mittels einer Gaszuführung erfolgen, wobei die Gaszuführung derart eingerichtet sein kann, dass die Aluminium-Kathode mit Prozessgas versorgt wird.
  • 2 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweisen kann: in 210, das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; und, in 220, das Zerstäuben mindestens einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas Ozon aufweisen kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Ozon mittels eines Ozonisators oder aus einer anderen Gasquelle (beispielsweise aus einer Gasflasche, einem Druckbehälter oder einer Flüssiggasflasche) bereitgestellt sein oder werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 200 ferner aufweisen: das Zuführen von O2 und/oder N2 als zusätzliches Reaktivgas.
  • 3 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweisen kann: in 310, das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; und, in 320, das Zerstäuben mindestens einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas NO, N2O und/oder NO2 aufweisen kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 ferner aufweisen: das Zuführen von O2 und/oder N2 als zusätzliches Reaktivgas. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest das Reaktivgas geregelt in die Vakuumkammer eingeleitet werden (z.B. zum Trimmen und/oder Regeln des reaktiven Sputterprozesses), wobei das Reaktivgas vor dem Einleiten oder während des Einleitens gemischt werden kann.
  • 4 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweisen kann: in 410, das Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; und, in 420, das Zerstäuben mindestens einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas CO, CO2 und/oder C2N2 aufweisen kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 400 ferner aufweisen: das Zuführen von O2 und/oder N2 als zusätzliches Reaktivgas. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest das Reaktivgas geregelt in die Vakuumkammer eingeleitet werden (z.B. zum Trimmen und/oder Regeln des reaktiven Sputterprozesses), wobei das Reaktivgas vor dem Einleiten oder während des Einleitens gemischt werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Verfahren 100, 200, 300, 400 auch kombiniert werden, so dass beispielsweise für die Verfahren 200, 300, 400 ein Arbeitsgas genutzt werden kann, wobei die Atommasse der Atome des mindestens einen zugeführten Arbeitsgases größer sein kann als die Atommasse von Argon.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erreichen möglichst großer Sputterraten bei einer entsprechenden Leistung des Magnetrons bei Kathoden (Targets) von Bedeutung sein, deren Länge in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m liegen kann (bei Großkathoden). Dabei kann das Zuführen des Prozessgases auch derart erfolgen, dass lokale Prozessschwankungen (wie beispielsweise von dem CCE „Cross Corner Effect“ und/oder CME „Cross Magnetron Effect“ verursacht) ausgeglichen werden können.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die hierin beschriebene Verwendung der entsprechenden Reaktivgase die Hysterese des Sputterprozesses im Übergangsbereich verringern, so dass der Sputterprozess leichter kontrolliert bzw. stabil gehalten werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Zuführen des Reaktivgases und/oder des Arbeitsgases mittels mehrerer Gaskanäle erfolgen, welche beispielsweise beidseitig der Kathode angeordnet sein können und sich entlang der Längserstreckung der Kathode erstrecken können (z.B. im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung der Kathode).

Claims (10)

  1. Verfahren zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; • Zerstäuben einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, • wobei die Atommasse des mindestens einen zugeführten Arbeitsgases größer ist als die Atommasse von Argon.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das mindestens eine Arbeitsgas Krypton und/oder Xenon aufweist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Arbeitsgas mehrere Arbeitsgase als Gasgemisch aufweist, wobei das Gasgemisch Argon und mindestens ein Arbeitsgas, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, aufweist.
  4. Verwendung eines Gases, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, als Arbeitsgas in einem Sputterprozess zum Zerstäuben einer Kathode, wobei die Kathode ein Material aufweist, dessen Atommasse kleiner ist, als die Atommasse des Arbeitsgases.
  5. Verwendung eines Gases, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, als Arbeitsgas in einem Sputterprozess zum reaktiven Sputtern eines Aluminium-Targets.
  6. Verwendung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Arbeitsgas ein Gasgemisch aufweist, wobei das Gasgemisch Argon und mindestens ein Arbeitsgas, dessen Atommasse größer ist als die Atommasse von Argon, aufweist.
  7. Verfahren zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; • Zerstäuben mindestens einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, • wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas Ozon aufweist.
  8. Verfahren zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; • Zerstäuben mindestens einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, • wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas NO, N2O und/oder NO2 aufweist.
  9. Verfahren zum reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Vakuumkammer; • Zerstäuben einer in der Vakuumkammer angeordneten Aluminium-Kathode, • wobei das mindestens eine zugeführte Reaktivgas CO, CO2 und/oder C2N2 aufweist.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, ferner aufweisend: Zuführen von O2 und/oder N2 als zusätzliches Reaktivgas.
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