DE10319206B4

DE10319206B4 - Verwendung von KrF-Excimerlasern zur Laserpulsabscheidung und zur Spannungsreduzierung von dünnen Schichten

Info

Publication number: DE10319206B4
Application number: DE2003119206
Authority: DE
Inventors: Günter Reisse; Dirk Rost; Steffen Weissmantel
Original assignee: LIM LASERINSTITUT MITTELSACHSEN GmbH
Current assignee: Lim Laserinstitut Mittelsachsen 09648 Mi De GmbH
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2023-04-26
Also published as: WO2004097064A2; WO2004097064A3; DE10319206A1

Abstract

Verwendung eines ersten KrF-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns zur Laserpulsabscheidung dünner Schichten auf Silizium- und Hartmetall-Substrate, wobei der Laserstrahl auf ein Target fokussiert und mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt wird, dass dieser Laserstrahl spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt wird, und eines zweiten KrF-Excimerlasers zur Spannungsreduzierung in den Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen des ersten KrF-Excimerlasers – entweder mit einer Energiefluenz von 5 bis 20 J/cm2 zur Laserpulsabscheidung von amorphen diamantartigen Kohlenstoffschichten mit bis zu 90% sp3-Bindungsanteilen mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min – oder mit einer Energiefluenz von 20 bis 60 J/cm2 zur Laserpulsabscheidung von nahezu phasenreinen, polykristallinen, kubischen Bornitrid-Schichten mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min auf das Target gerichtet werden und dass die auf das Substrat oder die bereits abgeschiedene Schicht gerichteten Laserstrahlen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz zur Spannungsreduzierung der Kohlenstoffschichten oder der Bornitrid-Schichten verwendet werden, wobei – die aufwachsende amorphe diamantartige Kohlenstoffschicht oder bei größeren Substratflächen Bereiche der amorphen diamantartigen Kohlenstoffschicht mit Temperpulsen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 1 J/cm2 entweder alternierend zu den schichtbildenden Teilchenstrompulsen vom Target oder nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 150 bis 300 nm mit 1000 bis 5000 Temperpulsen oder – die aufwachsende kubische Bornitrid-Schicht entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen Bereiche der kubischen Bornitrid-Schicht mit Temperpulsen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 2 J/cm2 entweder alternierend zu den schichtbildenden Teilchenstrompulsen vom Target oder nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 500 bis 1000 nm mit 1000 bis 10000 Temperpulsen bestrahlt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Verwendungen eines ersten KrF-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns zur Laserpulsabscheidung dünner Schichten auf Silizium- und Hartmetall-Substrate, wobei der Laserstrahl auf ein Target fokussiert und mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt wird, dass dieser Laserstrahl spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt wird, und eines zweiten KrF-Excimerlasers zur Spannungsreduzierung in den Schichten.
Bei bekannten Verfahren und Anordnungen zur Spannungsreduzierung von aufgebrachten Schichten werden die Körper mit den Schichten erwärmt. Mit dieser Erwärmung werden die bei der Schichtabscheidung auftretenden Spannungen in den Schichten und zwischen den Körpern und den Schichten reduziert bis aufgehoben. Dabei erfolgt die Spannungsreduzierung durch ein thermisches Langzeittempern. Nachteilig ist dabei die Erwärmung nicht nur der Schicht sondern auch der Körper, so dass sich auch Eigenschaften der Körper verändern können. Einen weiteren Nachteil stellt der dafür notwendige Zeitaufwand dar.
In weiteren bekannten Verfahren und Anordnungen werden deshalb nur die Schichten erwärmt, wobei aber auch eine Erwärmung des Grundkörpers erfolgt. Eine derartige Lösung ist unter anderem in der DE 101 08 926 C1 (Wärmebehandlungsverfahren und -anordnung für Metallgegenstände) veröffentlicht. Dazu wird die Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung im Bereich des nahen Infrarot, die ihren wesentlichen Wirkanteil im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm hat, mit hoher Leistungsdichte bestrahlt. Strahlquellen sind Emitter, die den Gegenstand flächig bestrahlen. Das Material einer Oberflächenschicht wird auf eine in Abhängigkeit von den Materialparametern vorbestimmte Behandlungstemperatur erwärmt. Dabei handelt es sich um ein Langzeittempern, wobei auch der Grundkörper des Gegenstandes mit erwärmt wird.
Durch die Druckschrift DE 41 02 380 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schichtabscheidung mittels gepulster Laserablation bekannt. Dabei wird ein gepulster Teilchenstrahl mit Hilfe von Laserstrahlpulsen, die auf ein Target gerichtet werden und dieses ablatieren, erzeugt und auf das Substrat gerichtet. Mittels eines zweiten Lasers werden Laserstrahlpulse als Temperpulse zeitlich abgestimmt mit den Teilchenstrahlpulsen vom Target auf die Substratoberfläche gerichtet, um die Qualität der aufwachsenden Schichten zu verbessern und das Substrat dabei nicht zu überhitzen. Dazu sind die Temperpulse zeitlich und intensitätsmäßig steuerbar, so dass die vom Target ablatierten Teilchen auf eine ausreichend heiße Oberfläche deponiert werden, die kurz vor oder auch während der Abscheidung gepulst geheizt wird. Durch die Veränderung der Parameter und der räumlichen Ausrichtung des auf die Substratoberfläche bzw. die aufwachsende Schicht gerichteten zweiten Laserstrahls, lässt sich insbesondere die kristalline Struktur der aufwachsenden Schicht optimieren.
Mit der Vorrichtung ist es darüber hinaus möglich, nach anfänglicher Ausbildung eines sehr dünnen Films darauffolgend die Abscheidung zu unterbrechen. Hierbei kann der zweite Laser zusätzlich zu den Phasen, in denen die Schichten abgeschieden werden, auch während der dazwischenliegenden Unterbrechungsphasen angesteuert werden, um die Ausbildung der Kristallstruktur zu beschleunigen. Durch Variation der Temperpulsparameter Intensität und Frequenz lässt sich hierbei die Substrattemperatur auf einen zur Ausbildung der Kristallstruktur optimalen Wert verändern. Eine Spannungsreduzierung ist nicht benannt.
Durch die Druckschrift EP 819 782 A1 ist ein Verfahren zur Abscheidung dünner kristalliner Schichten durch Laserablation bekannt. Dabei werden Subschichten abgeschieden und mit Substratlaserstrahlpulsen rekristallisiert, wobei die Substratlaserstrahlpulse gleichzeitig oder alternierend zu den schichtbildenden Teilchenpulsen oder nach einer Folge von schichtbildenden Teilchenpulsen eingestrahlt werden. Damit erfolgt eine Rekristallisation und damit eine Phasenumwandlung. Eine Spannungsreduzierung ist nicht benannt.
Die Druckschrift US 6 146 714 A beinhaltet ein Verfahren zur Abscheidung von Schichten auf Innenoberflächen hohler Substrate, wobei ein zweiter Laserstrahl während oder nach der Schichtabscheidung auf das Substrat zur Nachbehandlung der abgeschiedenen Schicht gerichtet wird. Dabei werden die Schichtablagerung und die Schichtbindung zum Substrat verbessert. Neben der Schichthaftung sollen durch die Substratlaserpulse auch die Kristallstruktur, die Korngröße und die Kornstruktur verbessert werden. Eine Spannungsreduzierung ist nicht benannt.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitestgehend spannungsfreie dünne Schichten auf einem Substrat zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Verwendungen eines ersten KrF-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns zur Laserpulsabscheidung dünner Schichten auf Silizium- und Hartmetall-Substrate, wobei der Laserstrahl auf ein Target fokussiert und mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt wird, dass dieser Laserstrahl spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt wird, und eines zweiten KrF-Excimerlasers zur Spannungsreduzierung in den Schichten zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass auf einem Substrat weitestgehend spannungsfreie dünne Schichten und Mehrschichtsysteme abgeschieden werden können.
Dazu werden die Laserstrahlen des ersten KrF-Excimerlasers

– entweder mit einer Energiefluenz von 5 bis 20 J/cm² zur Laserpulsabscheidung von amorphen diamantartigen Kohlenstoffschichten mit bis zu 90% sp³-Bindungsanteilen mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min
– oder mit einer Energiefluenz von 20 bis 60 J/cm² zur Laserpulsabscheidung von nahezu phasenreinen, polykristallinen, kubischen Bornitrid-Schichten mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min auf das Target gerichtet. Die auf das Substrat oder die bereits abgeschiedene Schicht gerichteten Laserstrahlen des zweiten KrF-Excimerlasers werden mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz zur Spannungsreduzierung der Kohlenstoffschichten oder der Bornitrid-Schichten verwendet.

Dabei werden

– die aufwachsende amorphe diamantartige Kohlenstoffschicht oder bei größeren Substratflächen Bereiche der amorphen diamantartigen Kohlenstoffschicht mit Temperpulsen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 1 J/cm² entweder alternierend zu den schichtbildenden Teilchenstrompulsen vom Target oder nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 150 bis 300 nm mit 1000 bis 5000 Temperpulsen oder
– die aufwachsende kubische Bornitrid-Schicht entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen Bereiche der kubischen Bornitrid-Schicht mit Temperpulsen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 2 J/cm² entweder alternierend zu den schichtbildenden Teilchenstrompulsen vom Target oder nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 500 bis 1000 nm mit 1000 bis 10000 Temperpulsen

Dabei handelt es sich bevorzugt um solche Schichten, die durch Ablagerung von wenigstens einem vorzugsweise gepulsten Teilchenstrom auf einem Substrat im Vakuum gebildet werden. Bei der Beschichtung größerer Substrate erfolgt die Bestrahlung von lateralen Bereichen der Schicht, um die erforderliche Energiefluenz zu erreichen.
Im Vergleich zu den bekannten thermischen Temperverfahren zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten, die ein kontinuierliches Aufheizen des gesamten Substrat-Schichtsystems auf hohe Temperaturen von üblicherweise größer 600°C im Zeitbereich von wenigstens einigen 10 Minuten erfordern, bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass die für den Spannungsabbau erforderlichen hohen Temperaturen durch die Pulsbestrahlung nur kurzzeitig im Bereich von wenigen Mikrosekunden und wegen der geringen Energiedissipation durch Wärmeleitung vorzugsweise nur in einem Schichtoberflächenbereich geringer Dicke erzeugt werden.
Das führt vorteilhafterweise dazu, dass eine geringe bis keine thermische Belastung des Substrates gegeben ist. Bei Mehrschichtsystemen werden die darunter liegenden Schichten thermisch wenig bis nicht belastet. Damit können auch thermisch wenig belastbare temperaturempfindliche Substrate unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen mit weitestgehend spannungsfreien dünnen Schichten versehen werden.
Ein weiterer Vorteil ist die wesentlich geringere Gesamtzeit für die Erzeugung weitestgehend spannungsfreier Schichten, da die beim üblichen Temperprozess zur Spannungsreduzierung erforderliche zeitaufwändige Erwärmung und nachfolgende Abkühlung der Substrate einschließlich der darauf abgeschiedenen Schichten entfällt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
Eine Verwendung eines ersten KrF-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns zur Laserpulsabscheidung dünner Schichten auf Silizium- und Hartmetall-Substrate, wobei der Laserstrahl auf ein Target fokussiert und mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt wird, dass dieser Laserstrahl spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt wird, und eines zweiten KrF-Excimerlasers zur Spannungsreduzierung in den Schichten, wird nachfolgend näher erläutert.
In einem Verfahren zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten werden die Schichten aus gepulsten Teilchenströmen auf einem Substrat gebildet, die durch Abtragen eines Materials von einem Target mittels auf die Targetoberfläche einfallenden und gepulsten Laserstrahlen erzeugt und auf das Substrat gerichtet werden. Alternierend mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu den auf das Substrat auftreffenden Teilchenstrompulsen oder synchron mit den Teilchenstrompulsen oder alternierend mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu einer vorgegebenen Folge von Teilchenstrompulsen oder synchron mit einem Puls von aufeinanderfolgenden Folgen von Teilchenstrompulsen werden die Laserstrahlpulse wenigstens eines Lasers mit vorgegebener Wellenlänge, Pulsdauer und Energiefluenz als Temperpulse zur Spannungsreduzierung der Schicht auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichtet.
Dazu werden gepulste Laserstrahlen eines ersten KrF-Excimerlasers zur Erzeugung der Teilchenstrompulse zum Substrat auf die Targetoberfläche und gepulste Laserstrahlen wenigstens eines zweiten KrF-Excimerlasers mit unterschiedlicher Wellenlänge, Pulsdauer und Energiefluenz sowie vorgegebenen zeitlichen Pulsabständen oder vorgegebenem Pulsüberlappungsgrad als Temperpulse entweder auf die Schicht oder Bereiche der Schicht gerichtet. Dabei wird weiterhin bei Abscheidung einer Schicht bestehend aus einer Schichtfolge von Subschichten sichergestellt, dass die Pulsdauer und die Energiefluenz der Laserstrahlen so gewählt und eingestellt werden, dass die bereits abgeschiedenen Schichten thermisch nicht belastet und beschädigt werden und kein Materialabtrag von dieser bereits abgeschiedenen Schicht erfolgt.
Zur Laserpulsabscheidung und zur Spannungsreduzierung in amorphen diamantartigen Kohlenstoffschichten mit bis zu 90% sp³-Bindungsanteilen auf Silizium- und Hartmetall-Substraten werden zwei KrF-Excimerlaserstrahlen mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns eingesetzt. Auf das Target werden fokussierte Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 5 bis 20 J/cm² und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt, dass diese Laserstrahlen spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt werden. Auf das Substrat werden Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 1 J/cm² und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz gerichtet. Die mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min aufwachsende Schicht wird entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen werden laterale Bereiche der Schicht nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 150 bis 300 nm zur Spannungsreduzierung mit 1000 bis 5000 Temperpulsen bestrahlt.
Zur Laserpulsabscheidung und zur Spannungsreduzierung von nahezu phasenreinen, polykristallinen und kubischen Bornitrid-Schichten auf Silizium- und Hartmetall-Substraten werden zwei KrF-Excimerlaserstrahlen mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns eingesetzt. Auf das Target werden fokussierte Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 20 bis 60 J/cm² und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt, dass diese Laserstrahlen spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt werden. Auf das Substrat werden Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 2 J/cm² und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz gerichtet. Die mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min aufwachsende Schicht wird entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen werden laterale Bereiche der Schicht nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 500 bis 1000 nm zur Spannungsreduzierung mit 1000 bis 10000 Temperpulsen bestrahlt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlen, einer evakuierbaren Bearbeitungskammer mit wenigstens einem Fenster für die Einkopplung von Laserstrahlen und mindestens Befestigungseinrichtungen für ein Target und ein Substrat.

Claims

Verwendung eines ersten KrF-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns zur Laserpulsabscheidung dünner Schichten auf Silizium- und Hartmetall-Substrate, wobei der Laserstrahl auf ein Target fokussiert und mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt wird, dass dieser Laserstrahl spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt wird, und eines zweiten KrF-Excimerlasers zur Spannungsreduzierung in den Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen des ersten KrF-Excimerlasers – entweder mit einer Energiefluenz von 5 bis 20 J/cm² zur Laserpulsabscheidung von amorphen diamantartigen Kohlenstoffschichten mit bis zu 90% sp³-Bindungsanteilen mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min – oder mit einer Energiefluenz von 20 bis 60 J/cm² zur Laserpulsabscheidung von nahezu phasenreinen, polykristallinen, kubischen Bornitrid-Schichten mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min auf das Target gerichtet werden und dass die auf das Substrat oder die bereits abgeschiedene Schicht gerichteten Laserstrahlen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz zur Spannungsreduzierung der Kohlenstoffschichten oder der Bornitrid-Schichten verwendet werden, wobei – die aufwachsende amorphe diamantartige Kohlenstoffschicht oder bei größeren Substratflächen Bereiche der amorphen diamantartigen Kohlenstoffschicht mit Temperpulsen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 1 J/cm² entweder alternierend zu den schichtbildenden Teilchenstrompulsen vom Target oder nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 150 bis 300 nm mit 1000 bis 5000 Temperpulsen oder – die aufwachsende kubische Bornitrid-Schicht entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen Bereiche der kubischen Bornitrid-Schicht mit Temperpulsen des zweiten KrF-Excimerlasers mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 2 J/cm² entweder alternierend zu den schichtbildenden Teilchenstrompulsen vom Target oder nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 500 bis 1000 nm mit 1000 bis 10000 Temperpulsen bestrahlt werden.