DE19641400C1

DE19641400C1 - Verfahren zum Aufbringen einer dünnen borhaltigen Schicht durch Vakuumbeschichten, Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und Verfahren zur Herstellung eines borhaltigen Targets

Info

Publication number: DE19641400C1
Application number: DE1996141400
Authority: DE
Inventors: Bernd Karras; Heike Dipl Ing Schiewe; Ursus Dr Krueger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2016-09-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines borhaltigen Materials auf ein Substrat durch Vakuumbeschichten, bei dem durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung oder einer niederfrequenten Wechselspannung ein Lichtbogen gezündet und borhaltiges Tar getmaterial mit einem kleinen Metallanteil in Form eines Metalles oder Metallgemisches in die Dampfphase überführt wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (US-Patentschriften 4,415,420 und 4,412,899) werden dünne Schichten eines borhal tigen Materials in Form von kubischen Bornitridschichten in einer Vakuumbeschichtungsanlage, beispielsweise einer Auf dampf- oder Sputteranlage, abgeschieden. Um beim Vakuumbe schichten zusätzlich zum Bor auch einen gewissen Metallanteil in Plasma zu gewährleisten, werden Bor sowie ein Metall (bzw. Metallgemisch) gleichzeitig verdampft; dies wird beim vorbekannten Verfahren dadurch erreicht, daß das Bor und das Metall entweder getrennt oder in Form einer Legierung ver dampft werden. Der Metallanteil in der Legierung kann zwi schen 0,1% und ca. 36% liegen. Die Abscheidetemperatur beim vorbekannten Verfahren beträgt ungefähr 500°C.

Weiterhin ist bekannt, daß sich reine Bortargets nicht ohne weiteres in einer Gleichstromsputteranlage einsetzen lassen, da Bor bei Zimmertemperatur nichtleitend ist und sich die zum Sputtern nötige Gasentladung aus diesem Grunde nicht zünden läßt. Bei einem weiteren bekannten Verfahren zum Aufbringen dünner borhaltiger Schichten (US-PS 5,372,686) wird dieses Problem dadurch gelöst, daß das Bortarget mittels einer Heizung in der Gleichstrom-Sputteranlage erwärmt wird. Bor hat nämlich die Eigenschaft, daß sich sein bei Raumtemperatur hoher spezifischer Widerstand von ca. 10⁶ Ωcm bei Tem peraturerhöhung drastisch reduziert: Bei beispielsweise 400°C beträgt der spezifische Widerstand nur noch ca. 10 Ωcm. Bei dem letztgenannten Verfahren wird das Bortarget in der Gleichstrom-Sputteranlage also durch Erwärmen leitfähig gemacht und so das Zünden der zum Sputtern nötigen Gasent ladung ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu geben, mit dem dünne Schichten eines borhaltigen Materials durch Vakuumbeschichten in einer mit Gleichstrom oder mit niederfrequentem Wechselstrom betriebenen Vakuumbe schichtungsanlage mit relativ geringem Aufwand aufgebracht werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angege benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Targetma terial mit einem Metallanteil unter 1% ein inhomogenes Mate rialgemisch verwendet wird, dessen spezifischer elektrischer Widerstand durch seinen inhomogen verteilten Metallanteil lokal auf einen Wert unter zehn Ωcm reduziert ist. Unter einem inhomogenen Materialgemisch wird dabei ein Werkstoff verstanden, in dem das Metall oder Metallgemisch nicht gleichmäßig verteilt ist. Der angegebene Metallanteil stellt demzufolge einen Mittelwert dar.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, daß auf eine relativ aufwendige Heizung in der Vakuumbeschichtungsanlage verzichtet werden kann, da das Tar getmaterial bereits bei Raumtemperatur elektrisch leitfähig ist.

Zum Aufbringen dünner, hochreiner Bor- oder Bornitridschich ten ist es erforderlich, daß das Targetmaterial einen mög lichst geringen Metallanteil aufweist. Um trotz eines gerin gen Metallanteils dennoch eine ausreichende Leitfähigkeit des Targetmaterials zu erzielen, muß das Metall oder Metall gemisch besonders leitfähig sein; es wird daher im Rahmen einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhaft angesehen, wenn als das Targetmaterial ein Ma terialgemisch verwendet wird, dessen maximal 1%iger Metall anteil durch Silber gebildet wird.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines borhaltigen Materials mit einem evakuierbaren Rezipienten, einer im Rezipienten an gebrachten Kathode und einer Anode, einem borhaltigen Target im Rezipienten mit einem kleinen Metallanteil in Form eines Metalles oder Metallgemisches und einer an die Kathode und die Anode angeschlossenen Stromversorgung.

Um bei einer solchen Anordnung auf eine Heizung in der Vaku umbeschichtungsanlage verzichten zu können, wird erfindungs gemäß vorgeschlagen, daß der unter 1% liegende Metallanteil im borhaltigen Target inhomogen verteilt ist, wodurch das borhaltige Target lokal einen spezifischen elektrischen Widerstand unter zehn Ωcm aufweist.

Wie bereits erläutert, können Bor- oder Bornitridschichten besonders rein aufgebracht werden, wenn der Metallanteil im Targetmaterial durch ein hochleitendes Metall gebildet wird; es wird daher im Rahmen einer Weiterbildung der erfindungs gemäßen Anordnung als vorteilhaft angesehen, wenn der maximal 1%ige Metallanteil des Targetmaterials aus Silber besteht.

Die Erfindung bezieht sich zusätzlich auf ein Verfahren zum Herstellen eines borhaltigen Targets für Vakuumbeschichtungs anlagen. Um in derartigen Vakuumbeschichtungsanlagen ohne eine zusätzliche Heizung für das borhaltige Target auskommen zu können, muß das Targetmaterial bei Raumtemperatur elek trisch leitfähig sein. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß eine hochreine Borscheibe mit einer dünnen Schicht lei tenden Materials versehen wird und durch Erwärmen Atome des leitenden Materials in die Borscheibe unter Bildung des borhaltigen Targets eindiffundiert werden.

Der Vorteil dieses Herstellungsverfahrens besteht darin, daß das hochleitende Material relativ einfach in die hochreine Borscheibe eingebracht werden kann. Zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise eine Auf dampfanlage und ein Diffusionsofen genutzt werden.

Damit ein möglichst niedriger spezifischer Widerstand des borhaltigen Targets erreicht werden kann, wird es als vor teilhaft angesehen, wenn als das leitende Material ein Metall oder ein Metallgemisch verwendet wird.

Ein hochleitendes Metall ist beispielsweise Silber, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn als das Metall Silber verwendet wird.

Borhaltige Targets können in mit Gleichstrom betriebenen Va kuumbeschichtungsanlagen nur dann eingesetzt werden, wenn der spezifische Widerstand des Targetmaterials lokal weniger als zehn Ωcm beträgt; erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die Dicke der Schicht des aufgebrachten, leitenden Mate rials so gewählt wird und die Erwärmung auf eine derartige Temperatur für eine derartige Zeitdauer erfolgt, daß der spe zifische Widerstand des Materials des Targets lokal auf einen Wert unter zehn Ωcm gesenkt wird.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstel len eines borhaltigen Targets für Vakuumbeschichtungsanlagen anhand verschiedener dargestellter Stadien des Targets und in

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Aufbrin gen einer dünnen Schicht eines borhaltigen Materials darge stellt.

Die Darstellung A der Fig. 1 zeigt eine hochreine Borscheibe 1, die beispielsweise als poröser Sinterkörper ausgeführt sein kann.

Die hochreine Borscheibe 1 wird mit einem hochleitenden Mate rial 2, beispielsweise Silber, beschichtet (vgl. Darstellung B der Fig. 1). Dieses Beschichten kann einseitig oder auch beidseitig beispielsweise in einer Aufdampfanlage erfolgen. Es entsteht eine hochreine, beschichtete Borscheibe 3.

In einem nachfolgenden Temperschritt wird die hochreine, be schichtete Borscheibe 3 erwärmt. Die Atome des hochleitenden Materials 2 diffundieren in die hochreine Borscheibe 1 ein. Dies ist in der Darstellung C der Fig. 1 gezeigt.

Nach dem Temperschritt werden die Atome der auf der beschich teten Borscheibe 3 verbliebenen Restschicht hochleitenden Materials 2 durch einen Reinigungsschritt unter Bildung eines borhaltigen Targets 5 entfernt. Der Reinigungsschritt ist beispielsweise mittels eines mechanischen Materialabtrages durch Sputterätzen oder durch Polieren möglich. Die Darstellung D der Fig. 1 zeigt das borhaltige Target 5.

Wird die Schichtdicke des hochleitenden Materials 2 sehr dünn gewählt, so können bei entsprechend langer Diffusionszeit und entsprechend hoher Diffusionstemperatur des Temperschrittes alle Atome des hochleitenden Materials 2 in die hochreine Borscheibe 1 eindiffundieren. In diesem Fall ist die Herstel lung des borhaltigen Targets 5 bereits nach dem Temperschritt abgeschlossen, so daß auf den Reinigungsschritt verzichtet werden kann.

Da die hochreine Borscheibe 1 in diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ein poröser Sinterkörper ist, kommt es bei der Diffusion der Atome des hochleitenden Materials 2 in die hochreine Borscheibe 1 zu einer inhomoge nen Verteilung dieser Atome in der Borscheibe. Der im Mittel maximal 1%ige Anteil der Atome des hochleitenden Materials 2 ist also im borhaltigen Target 5 nicht gleichmäßig verteilt, so daß sich Bereiche im borhaltigen Target 5 bilden, in denen der Anteil dieser Atome deutlich größer als 1% ist. In diesen Bereichen, d. h. nur lokal im borhaltigen Target 5, wird der spezifische Widerstand des borhaltigen Targets 5 auf einen Wert unter 10 Ωcm gesenkt.

Derartige borhaltige Targets können beispielsweise in Sput teranlagen oder in Arc-Verdampfern (US-Patent 3,625,848 oder Erasmus Bode, "Funktionelle Schichten", Technik Tabellen Ver lag, Darmstadt, 1989, Seite 227) eingesetzt werden.

In Fig. 2 ist eine Anordnung zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines borhaltigen Materials dargestellt. Ein Rezi pient 12 weist eine Öffnung 13 und eine weitere Öffnung 14 auf. Die eine Öffnung 13 dient zum Einlassen eines Gases 15 in den Rezipienten 12. Der Gasfluß in den Rezipienten 12 wird durch einen Gasdurchflußregler 16 geregelt. Die weitere Öff nung 14 dient zum Evakuieren des Rezipienten 12; sie ist an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen. Im Rezi pienten 12 ist eine Kathode 19 angebracht, an der das borhal tige Target 5 befestigt ist. Die Kathode 19 ist mit einer elektrischen Kontaktstange 21 verbunden, die durch eine elek trisch isolierte und abgedichtete, zusätzliche Öffnung 22 aus dem Rezipienten 12 herausgeführt ist. Im Bereich des aus dem Rezipienten 12 herausgeführten Endes 23 der Kontaktstange 21 ist eine Stromversorgung 26 mit ihrem Minuspol angeschlossen. Der Pluspol der Stromversorgung 26 ist mit dem Rezipienten 12 verbunden. Im Rezipienten 12 befinden sich Substrathalter 30, 31 und 32. Auf einem der Substrathalter 30 liegt ein mit ei ner borhaltigen Schicht zu beschichtendes Substrat 33.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auf bringen einer dünnen borhaltigen Schicht durch Vakuumbe schichten wird der Rezipient 12 über die weitere Öffnung 14 mittels der nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert. Um eine definierte Gaszusammensetzung in der Restatmosphäre des Rezipienten 12 zu erzielen, wird ein beispielsweise stick stoffhaltiges Gas 15 über die eine Öffnung 13 in den Rezi pienten 12 eingelassen. Ist ein hinreichend geringer Druck im Rezipienten 12 durch stetiges Evakuieren erreicht worden, so wird eine Gleichspannung oder eine niederfrequente Wechselspannung U zwischen der Kathode und dem als Anode wir kenden Rezipienten 12 angelegt. Aufgrund des niedrigen Druc kes im Rezipienten 12 kommt es zu einer Gasentladung. Die Gasmoleküle werden ionisiert und prallen auf das borhaltige Target 5. Hierbei werden Atome aus dem borhaltigen Target 5 herausgelöst, die sich chemisch mit in der Restatmosphäre des Rezipienten 12 befindlichen Stickstoffatomen verbinden und sich beispielsweise als Bornitridschicht B_xN_y auf dem Substrat 33 niederschlagen. Der Beschichtungsvorgang wird durch Abschalten der Stromversorgung 26 beendet.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines bor haltigen Materials auf ein Substrat durch Vakuumbeschichten, bei dem

- durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung oder einer niederfrequenten Wechselspannung ein Lichtbogen gezündet und
- borhaltiges Targetmaterial mit einem kleinen Metallanteil in Form eines Metalles oder Metallgemisches in die Dampf phase überführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- als Targetmaterial mit einem Metallanteil unter 1% ein inhomogenes Materialgemisch verwendet wird, dessen spezi fischer elektrischer Widerstand durch seinen inhomogen verteilten Metallanteil lokal auf einen Wert unter zehn Ωcm reduziert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als das Targetmaterial ein Materialgemisch verwendet wird, dessen maximal 1%iger Metallanteil durch Silber gebildet wird.

3. Anordnung zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines bor haltigen Materials mit einem evakuierbaren Rezipienten, einer im Rezipienten angebrachten Kathode und einer Anode, einem borhaltigen Target im Rezipienten mit einem kleinen Metallan teil in Form eines Metalles oder Metallgemisches und einer an die Kathode und die Anode angeschlossenen Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß

- der unter 1% liegende Metallanteil im borhaltigen Target (5) inhomogen verteilt ist, wodurch das borhaltige Target (5) lokal einen spezifischen elektrischen Widerstand unter zehn Ωcm aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der maximal 1%ige Metallanteil des Targetmaterials aus Silber besteht.

5. Verfahren zum Herstellen eines borhaltigen Targets für Va kuumbeschichtungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine hochreine Borscheibe (1) mit einer dünnen Schicht lei tenden Materials (2) versehen wird und
- durch Erwärmen Atome des leitenden Materials in die Bor scheibe unter Bildung des borhaltigen Targets (5) eindif fundiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als das leitende Material ein Metall oder ein Metallgemisch verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als das Metall Silber verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht des aufgebrachten, leitenden Materials so gewählt wird und die Erwärmung auf eine derartige Tempera tur für eine derartige Zeitdauer erfolgt, daß der spezifische Widerstand des Materials des Targets lokal auf einen Wert un ter zehn Ωcm gesenkt wird.