DE19641584C1 - Anordnung und Verfahren zum Aufbringen einer dünnen Schicht auf ein Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines Materials auf ein Substrat mit einer Vakuumbeschichtungsanlage, die mindestens eine Teilchen bündelnde Zusatzeinrichtung und eine an die Zusatzeinrichtung angeschlossene Zusatzspannungsquelle aufweist.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (M. Fukutomi, S. Akoi, K. Komori, Y. Tanaka, T. Asano and H. Maeda "Control of Y₂O₃-stabilized ZrO₂ thin film orientation by modified bias sputtering", 1994, Thin Solid Films 239, Seite 123-126) han­ delt es sich um eine herkömmliche Magnetron-Sputteranlage mit einer mit Gleichspannung beaufschlagten Zusatzeinrichtung. Zur Herstellung von beispielsweise dünnen YSZ-Pufferschichten (YSZ = Yttrium stabilisiertes Zirconiumoxid) ist die herkömm­ liche Magnetron-Sputteranlage allein nicht ohne weiteres einsetzbar, da beim Abscheiden der YSZ-Schichten eine be­ stimmte Kristallorientierung erreicht werden muß. Bei der bekannten Anordnung ist hierfür die Zusatzeinrichtung vor­ gesehen, die eine Bündelung von Ionen zu einem Ionenstrahl als Teilchenstrahl ermöglicht. Dieser Teilchenstrahl kann un­ ter einem vorgegebenen Winkel auf ein Substrat gerichtet werden. Bei der bekannten Anordnung besteht die Zusatzein­ richtung aus Metallplatten und einem elliptischen Metallzy­ linder, die mit einer Gleichspannung beaufschlagt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung an­ zugeben, mit der eine noch bessere Bündelung des Teilchen­ strahles und damit eine noch bessere Qualität der abgeschie­ denen dünnen Schichten erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs angegebe­ nen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zusatzspan­ nungsquelle eine Mittelfrequenzspannungsquelle ist.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung be­ steht darin, daß unter Beibehaltung der Zusatzeinrichtung der bekannten Anordnung allein durch ein Anlegen einer Mittelfre­ quenzspannung ein aus positiv und negativ geladenen Ionen und Elektronen gebildeter, quasi neutraler Plasmastrahl als Teilchenstrahl gebildet wird. Der quasi neutrale Plasmastrahl weist eine sehr geringe Divergenz auf, da eine gegenseitige Coulomb-Abstoßung von im Plasmastrahl enthaltenen Ionen vermieden wird. Außerdem tritt keine Aufladung des zu beschichtenden Substrates auf, so daß ein Ablenken des Teilchenstrahles durch eine Ladung auf dem Substrat unterbun­ den wird.

Um die Bündelung des Plasmas durch die mit der Zusatzspan­ nungsquelle beaufschlagten Zusatzeinrichtung besonders gut einstellen zu können, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Zusatzspannungsquelle eine Mittelfrequenzspannungsquelle ist, die an ihrem Ausgang eine mit einer Gleichspannung überlagerte Mittelfrequenzspannung abgibt.

Konstruktiv einfache und damit kostengünstige Zusatzeinrich­ tungen sind beispielsweise Gitter, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn die Zusatzeinrichtung mindestens ein Gitter ist. Der wesentliche Vorteil eines Gitters als Zusatz­ einrichtung besteht darin, daß mit einem Gitter eine beson­ ders gute Bündelung des Teilchenstrahles erreichbar ist. Gitter als Zusatzeinrichtungen in Vakuumbeschichtungsanlagen sind für sich schon aus der US-Patentschrift 4,717,462 und aus der europäischen Patentschrift 0 313 750 A1 bekannt.

In der erfindungsgemäßen Anordnung können verschiedene Vaku­ umbeschichtungsanlagen eingesetzt werden; als besonders vor­ teilhaft wird es jedoch angesehen, wenn die Vakuumbeschich­ tungsanlage eine Magnetron-Sputteranlage ist, da in Magne­ tron-Sputteranlagen der Ionenanteil im Plasma relativ hoch ist.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines Materials auf ein Substrat durch Vakuumbeschichten, bei dem ein Targetmaterial in die Dampfphase überführt wird, mit Teilchen der Dampfphase durch Anlegen einer Zusatzspannung an eine Teilchen bündelnde Zusatzeinrichtung ein Teilchenstrahl gebildet wird und der Teilchenstrahl durch die Zusatzeinrichtung auf das Substrat gelenkt wird. Ein solches Verfahren ist der eingangs behandelten Literaturstelle entnehmbar.

Bei diesem Verfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die dünne Schicht mittels der mit einer Mittelfrequenzspan­ nung beaufschlagten Zusatzeinrichtung aufgebracht wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Qualität der dünnen Schicht durch die Mittelfrequenz­ spannung deutlich verbessert werden kann.

Um die Teilchen im Plasma besonders gut bündeln zu können, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die dünne Schicht mittels der mit einer aus einer Mittelfrequenzspannung und einer Gleichspannung gebildeten Überlagerungsspannung beauf­ schlagten Zusatzeinrichtung aufgebracht wird.

Kostengünstige Zusatzeinrichtungen sind beispielsweise Git­ ter, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn die dünne Schicht mittels mindestens eines Gitters als die Zusatzein­ richtung aufgebracht wird.

Eine Vakuumbeschichtungsanlage, die einen relativ hohen An­ teil an Ionen im Plasma ermöglicht, ist die Magnetron-Sput­ teranlage, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn zum Überführen des Targetmaterials in die Dampfphase eine Ma­ gnetron-Sputteranlage verwendet wird.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines Materials dargestellt.

Ein Rezipient 12 weist eine Öffnung 13 und eine weitere Öff­ nung 14 auf. Die eine Öffnung 13 dient zum Einlassen eines Gases 15 in den Rezipienten 12. Der Gasfluß in den Rezipien­ ten 12 wird durch einen Gasdurchflußregler 16 geregelt. Die weitere Öffnung 14 dient zum Evakuieren des Rezipienten 12; sie ist an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen. Im Rezipienten 12 ist eine Kathode 19 angebracht, an der ein metallisches Target 20 befestigt ist. Die Kathode 19 ist mit einer elektrischen Kontaktstange 21 verbunden, die durch eine elektrisch 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 angeschlos­ sen. Der Pluspol der Stromversorgung 26 ist mit dem Rezipien­ ten 12 verbunden. Im Rezipienten 12 befindet sich ein Substrathalter 30, auf dem ein mit einer dünnen Schicht zu beschichtendes Substrat 33 aufliegt. Über dem Substrat 33 und dem Substrathalter 30 befindet sich ein Gitter 40. Eine mit ihrem einen Ende an dem Gitter 40 befestigte weitere Kon­ taktstange 41 ist durch eine elektrisch isolierte und abge­ dichtete, ergänzende Öffnung 42 aus dem Rezipienten 12 her­ ausgeführt. Im Bereich des anderen Endes der weiteren Kon­ taktstange 41 ist eine Mittelfrequenzspannungsquelle 45 an­ geschlossen, die an ihrem Ausgang eine aus einer Mittelfre­ quenzspannung und einer Gleichspannung gebildete Überlage­ rungsspannung Um abgibt. Der Frequenzbereich der Mittelfre­ quenzspannung liegt beispielsweise zwischen 1 kHz und 250 kHz.

Zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines Materials wird der Rezipient 12 über die weitere Öffnung 14 mittels der nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert. Um eine definierte Gas­ zusammensetzung in der Restatmosphäre des Rezipienten 12 zu erzielen, wird ein beispielsweise argonhaltiges Gas 15 über die eine Öffnung 13 in den Rezipienten 12 eingelassen. Ist ein hinreichend geringer Druck im Rezipienten 12 durch ste­ tiges Evakuieren erreicht worden, so wird eine Gleichspannung oder eine niederfrequente Wechselspannung U zwischen der Kathode und dem als Anode wirkenden Rezipienten 12 angelegt. Aufgrund des niedrigen Druckes im Rezipienten 12 kommt es zu einer Gasentladung. Die Gasmoleküle werden ionisiert und prallen auf das Target 20. Hierbei werden Atome aus dem Target 20 herausgelöst, die zusammen mit Atomen des ar­ gonhaltigen Gases 15 ein Plasma bilden. Mittels der Mittel­ frequenzspannungsquelle 45 wird die Überlagerungsspannung Um an das Gitter 40 angelegt. Durch die dadurch auf das Gitter 40 aufgebrachte Ladung werden je nach ihrer Polarität positiv geladene oder negativ geladene Ionen und Elektronen des Plasmas zum Gitter 40 hin beschleunigt. Hierbei werden im Falle des positiv geladenen Gitters 40 die negativ geladenen Ionen und die Elektronen zum Gitter 40 beschleunigt, wohin­ gegen die positiv geladenen Ionen vom Gitter 40 abgestoßen werden. Im Falle des negativ geladenen Gitters 40 werden dem­ entsprechend die positiv geladenen Ionen zum Gitter 40 hin beschleunigt und die negativ geladenen Ionen und die Elek­ tronen abgestoßen. Durch diesen Beschleunigungsprozeß, der aufgrund der mittelfrequenten Überlagerungsspannung Um am Gitter 40 sowohl die positiv als auch die negativ geladenen Ionen und die Elektronen erfaßt, wird ein gerichteter, aus den positiv und den negativ geladenen Ionen und den Elektronen bestehender Plasmastrahl I gebildet. Im Plas­ mastrahl I kommt es zu einer Rekombination von positiv gela­ denen Ionen mit Elektronen. Je nach der Ausrichtung des Git­ ters 40 zum Substrathalter 30 fällt der Plasmastrahl I unter einem bestimmten Winkel α auf das Substrat 33 auf. Dieser Winkel α kann, wie in der Figur dargestellt, auch durch eine entsprechende Ausgestaltung des Substrathalters 30 erreicht werden. Durch den Winkel α läßt sich eine Vorzugsorientierung des Kristallgitters beim Schichtwachstum der dünnen Schicht, eine sogenannte Textur der aufgewachsenen Schicht, erzielen. Dies ist insbesondere beim Schichtwachstum auf metallischen und keramischen Substraten vorteilhaft.

Durch das Gitter 40 wird der Innenraum des Rezipienten 12 in einen Plasmaraum PR und einen Substratraum SR getrennt. Durch eine geeignet gewählte Position der einen Öffnung 13 und der weiteren Öffnung 14 am Rezipienten 12 ist es möglich, einen Druckgradienten zwischen dem Plasmaraum PR mit einem höheren Druck und dem Substratraum SR mit einem niedrigeren Druck zu erzeugen. Der hohe Druck in der Nähe des Targets 20 begün­ stigt einen hohen Ionenanteil im Plasma; der niedrige Druck in der Nähe des Substrates 33 reduziert die Streuung der im Plasma enthaltenen Teilchen und somit die Unschärfe des er­ zeugten Plasmastrahles I. In dieser Weise wird auch eine Be­ schichtung größerer Substratflächen ermöglicht. Der Beschich­ tungsvorgang wird durch Abschalten der Stromversorgung 26 beendet.

Claims (10)

1. Anordnung zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines Mate­ rials auf ein Substrat mit

• - einer Vakuumbeschichtungsanlage, die
• - mindestens eine Teilchen bündelnde Zusatzeinrichtung und
• - eine an die Zusatzeinrichtung angeschlossene Zusatzspan­ nungsquelle aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannungsquelle eine Mittelfrequenzspannungsquelle (45) ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannungsquelle eine Mittelfrequenzspannungsquelle (45) ist, die an ihrem Ausgang eine mit einer Gleichspannung überlagerte Mittelfrequenzspannung abgibt.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung mindestens ein Gitter (40) ist.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumbeschichtungsanlage eine Magnetron-Sputteranlage ist.

5. Verfahren zum Aufbringen einer dünnen Schicht eines Mate­ rials auf ein Substrat durch Vakuumbeschichten, bei dem

• - ein Targetmaterial in die Dampfphase überführt wird,
• - mit Teilchen der Dampfphase durch Anlegen einer Spannung an eine Teilchen bündelnde Zusatzeinrichtung ein Teilchen­ strahl gebildet wird und
• - der Teilchenstrahl durch die Zusatzeinrichtung auf das Substrat gelenkt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht mittels der mit einer Mittelfrequenzspann­ ung beaufschlagten Zusatzeinrichtung aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht mittels der mit einer aus einer Mittelfrequenzspannung und einer Gleichspannung gebildeten Überlagerungsspannung (Um) beaufschlagten Zusatzeinrichtung aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht mittels mindestens eines Gitters (40) als die Zusatzeinrichtung aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Überführen des Targetmaterials in die Dampfphase eine Ma­ gnetron-Sputteranlage verwendet wird.