DE19711137C1

DE19711137C1 - Verfahren zum Aufbringen texturierter YSZ-Schichten durch Sputter-Beschichten

Info

Publication number: DE19711137C1
Application number: DE1997111137
Authority: DE
Inventors: Ursus Dr Krueger; Wolfgang Dipl Phys Schilling; Uwe Pyritz; Heike Dipl Ing Schiewe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2017-03-08
Also published as: JP2001514702A; WO1998040530A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen texturierter YSZ-Schichten durch Sputter-Beschichten in einem mit einem sauerstoffhaltigen Prozeßgas gefüllten Rezipienten, bei dem an ein Target im Rezipienten eine elektrische Spannung angelegt wird, eine Gasentladung unter Bildung eines Teilchen enthaltenden Plasmas gezündet wird, der Rezipient bis zu einem Druck evakuiert wird, der im Hinblick auf die mittlere freie Weglänge der Teilchen im Plasma und den Abstand zwischen dem Target und einem Substrat im Rezipienten geeignet gewählt ist und das Substrat und das Target unter einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, so daß ein aus den Teilchen des Plasmas gebildeter Teilchenstrahl unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat trifft.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (M. Fukutomi, S. Aoki, K. Komori, Y. Tanaka, T. Asano and H. Maeda "Control of Y₂O₃-stabilized ZrO₂ thin film orientation by modified bias sputtering", Thin Solid Films, 239 (1994) 123-126) werden YSZ (yttria-stabilized zirconia)-Schichten in einem Rezipienten unter Verwendung eines oxidischen Y₂O₃-ZrO₂-Targets auf einem Substrat abgeschieden. Das Substrat ist auf einem drehbaren Substrathalter befestigt, so daß sich das Substrat und das Target unter einem vorgegebenen Winkel zueinander anordnen lassen. Nach dem Zünden einer Gasentladung unter Bildung ei nes Plasmas im Rezipienten bildet sich durch Verwendung einer mit Gleichspannung beaufschlagten Blendenanordnung im Substratbereich aus den Teilchen des Plasmas ein Teilchen strahl, der unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat trifft. Als Prozeßgas wird Argon mit einem zweiprozentigen Sauerstoffanteil eingesetzt. Der Rezipient wird bis zu einem Druck von 0,13 Pa (1.10^-3 Torr) evakuiert, so daß die mittlere freie Weglänge der Teilchen im Plasma größer ist als der Abstand zwischen dem Targets und dem Substrat. Die an das Target ange legte elektrische Spannung ist eine Wechselspannung mit Ra diofrequenz. Die Materialzusammensetzung der oxidischen Targets legt die Schichtzusammensetzung der abzuscheidenden texturierten Schichten fest; die Gaszusammensetzung ist dadurch weitgehend ohne Einfluß auf die Schichtzusammen setzung, die für die Qualität der abzuscheidenden Schichten eine große Rolle spielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Ver fahren zum Aufbringen besonders hochwertiger texturierter YSZ-Schichten anzugeben, das insbesondere auch für großflächiges Abscheiden geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Target ein metallisches Target aus Zirkonium und Yttrium ver wendet wird und aus dem metallischen Target herausgelöste Targetteilchen unter Bildung eines Oxids oxidiert werden.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, daß durch das Oxidieren der aus dem metallischen Target herausgelösten Targetteilchen im Plasma die Zusammen setzung des Oxids besonders gut kontrolliert bzw. eingestellt werden kann, da sich nämlich die Oxidzusammensetzung mit dem Sauerstoffanteil bzw. der Gaszusammensetzung des Prozeßgases wesentlich beeinflussen läßt. Da das Aufbringen texturierter YSZ-Schichten in hoher Qualität entscheidend davon abhängt, ob das Material die richtige Materialzusammensetzung aufweist, läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders hohe Qualität der YSZ-Schichten durch das sorgfältige Einstellen der Gaszusammensetzung erreichen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß aufgrund der Verwendung des me tallischen Targets und der sich dadurch einstellenden Plasma zusammensetzung auf eine Blendenanordnung im Substratbereich wie beim eingangs beschriebenen Verfahren verzichtet werden kann.

Im Gegensatz zu oxidischen Targets kann bei metallischen Tar gets als elektrische Spannung auch eine Gleichspannung zum Zünden der Gasentladung im Rezipienten verwendet werden. Da bei hohen Ausgangsleistungen insbesondere für die Abscheidung großflächiger Schichten Gleichspannungsquellen kostengünsti ger sind als Wechselspannungsquellen im MHz-Bereich wird es als vorteilhaft angesehen, wenn als elektrische Spannung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz unterhalb der Radiofrequenz angelegt wird.

Um zu vermeiden, daß beim Abscheiden oxidischer Schichten un ter einem vorgegebenen Winkel die Schichtdicke über dem Substrat schwankt, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn in bezug auf das Substrat spiegelsymmetrisch zu dem einen Target ein weiteres Target angeordnet ist und an das weitere Target eine weitere elektrische Spannung angelegt wird. Beim Ab scheiden einer oxidischen Schicht mit zwei Targets bilden sich anschaulich beschrieben zwei voneinander unabhängige Plasmawolken und damit zwei voneinander unabhängige Teil chenstrahlen, die jeweils unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat auftreffen. Dies stellt sicher, daß die abge schiedene oxidische Schicht keine keilförmige sondern eine weitgehend homogene Dickenverteilung auf dem Substrat auf weist.

Wie bereits erläutert sind Gleichspannungsquellen bzw. Wech selspannungsquellen niedriger Frequenz kostengünstiger als Wechselspannungsquellen im MHz-Bereich, so daß es als vor teilhaft angesehen wird, wenn als weitere elektrische Span nung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz im kHz-Bereich angelegt wird.

Um zu vermeiden, daß sich die Plasmawolken in nachteiliger Weise untereinander beeinflussen, wird es als vorteilhaft an gesehen, wenn die eine und die weitere elektrische Spannung Wechselspannungen sind, die die gleiche Frequenz und den gleichen Betrag aufweisen und untereinander um 180 Grad pha senverschoben sind. Eine solche Beschaltung der zwei Targets läßt sich in äquivalenter Weise auch unter Verwendung nur ei ner Wechselspannungsquelle erreichen, und zwar dadurch, daß die zwei Spannungsausgänge der Wechselspannungsquelle jeweils an ein Target angeschlossen werden; in diesem Fall ist der Rezipient mit der Wechselspannungsquelle elektrisch also nicht verbunden.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Aufbrin gen einer texturierten oxidischen Schicht mit einem Target und in

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Aufbringen einer texturierten oxidischen Schicht mit zwei Targets dargestellt.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zum Aufbringen einer oxidischen Schicht mit Textur durch Sputter-Beschichten dargestellt. Ein Rezipient 12 weist eine Öffnung 13 und eine weitere Öffnung 14 auf. Die eine Öffnung 13 dient zum Einlassen eines sauerstoffhaltigen Gases 15 als Prozeßgas in den Rezipienten 12. Der Gasfluß in den Rezipienten 12 und damit die Gaszu sammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases 15 wird durch ei nen 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. Das metallische Target 20 kann für die Abscheidung von YSZ-Schichten aus einer Mischung von Yttrium und Zirkonium im Verhältnis 15 : 85 Gew.-% bestehen. Die Kathode 19 ist mit einer elektrischen Kontakt stange 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 her ausgeführten Endes 23 der Kontaktstange 21 ist eine Stromver sorgung 26 mit ihrem Minuspol angeschlossen. Der Pluspol der Stromversorgung 26 ist mit dem Rezipienten 12 verbunden. Bei der Stromversorgung 26 kann es sich - wie durch die Anschluß bezeichnungen Pluspol und Minuspol bereits angedeutet - um eine Gleichspannungsquelle oder auch um eine Wechselspan nungsquelle handeln, die eine Wechselspannung mit einer Fre quenz im kHz- oder MHz-Bereich abgibt. Im Rezipienten 12 be finden sich Substrathalter 30, 31 und 32. Auf einem der Substrathalter 30 liegt ein mit einer oxidischen Schicht zu beschichtendes Substrat 33. Wie sich der Darstellung in der Fig. 1 entnehmen läßt, handelt es sich bei den Substrathal tern 30, 31 und 32 um spezielle Substrathalter, die es ermög lichen, das Target 20 und das Substrat 33 unter einem vorge gebenen Winkel α zueinander anzuordnen; zur Abscheidung von YSZ-Schichten werden das metallische Target 20 und das Substrat 33 beispielsweise unter dem vorgegebenen Winkel α von 55 Grad zueinander angeordnet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auf bringen einer texturierten oxidischen Schicht durch Sputter- Beschichten wird der Rezipient 12 über die weitere Öffnung 14 mittels der nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert. Um das Oxidieren der aus dem metallischen Target 20 herausgelösten Targetteilchen unter Bildung eines Oxids zu erreichen, wird das sauerstoffhaltige Gas 15 über die eine Öffnung 13 in den Rezipienten 12 eingelassen; das Gas 15 kann zusätzlich bei spielsweise Argon enthalten.

Ist ein hinreichend geringer Druck im Rezipienten 12 durch stetiges Evakuieren erreicht worden, so wird eine elektrische Spannung U in Form einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung 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 unter Bildung eines Plasmas ionisiert und prallen auf das metallische Target 20. Hierbei werden Atome aus dem metallischen Target 20 herausgelöst, die sich che misch mit in der Atmosphäre des Rezipienten 12 befindlichen Sauerstoffatomen verbinden und ein Oxid mit durch die Gaszu sammensetzung in der Atmosphäre festgelegter Materialzusam mensetzung bilden. Die Teilchen im Plasma bilden einen Teil chenstrahl I, der unter dem vorgegebenen Winkel α auf das Substrat 33 fällt. Dies führt dazu, daß sich das aus den Ato men des metallischen Targets 20 gebildete Oxid in textu rierter Form, d. h. mit einer bestimmten Kristallorientie rung, als YSZ-Schicht auf dem Substrat 33 nie derschlägt. Der Beschichtungsvorgang wird durch Abschalten der Stromversorgung 26 beendet.

Beim Sputter-Beschichten wird der Druck im Rezipienten 12 derart eingestellt, daß die mittlere freie Weglänge der Teil chen im Plasma bzw. in der Atmosphäre ungefähr so groß wie der Abstand zwischen dem metallischen Target 20 und dem Substrat 33 oder kleiner als dieser Abstand ist.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form ein weiteres Ausführungs beispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens, wobei bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 er läuterte Elemente in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen auf weisen wie in Fig. 1.

Man erkennt einen gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 1 modi fizierten Substrathalter 30', auf dem das Substrat 33 auf liegt. Das Substrat 33 und das metallische Target 20 mit der Kathode 19 sind unter dem vorgegebenen Winkel α von bei spielsweise 55 Grad zueinander angeordnet. In bezug auf das Substrat 33 spiegelsymmetrisch zu dem Target 20 ist bei die sem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens ein weiteres Target 20' angeordnet, das mittels einer weiteren Stromversorgung 26' mit einer weiteren elektrischen Spannung U' beaufschlagt ist. Die weitere Stromversorgung 26' ist wie die eine Stromversorgung 26 zwischen Target und Rezipient angeschlossen, und zwar über eine weitere Kathode 19', eine weitere Kontaktstange 21' und eine elektrisch isolierte und abgedichtete, ergänzende Öffnung 22'.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an das eine Target 20 die elektrische Spannung U und an das weitere Target 20' die weitere elektrische Spannung U' in Form einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung angelegt. Es kommt zu einer Gasentladung und zur Bildung des einen Teilchen strahles I von dem einen Target 20 sowie zur Bildung eines weiteren Teilchenstrahles I, von dem weiteren Target 20'.

Beide Teilchenstrahlen I und I' fallen unter dem gleichen vorgegebenen Winkel α auf das Substrat 33 auf und stellen si cher, daß die oxidische Schicht mit Textur hinsichtlich ihrer Schichtdicke gleichmäßig aufwächst.

Werden zur Abscheidung Wechselspannungen verwendet, so läßt sich eine besonders gleichmäßige Schichtdicke und eine beson ders hohe Qualität der texturierten oxidischen Schicht errei chen, wenn die eine elektrische Spannung U und die weitere elektrische Spannung U' eine Phasenverschiebung von 180 Grad aufweisen und beide Spannungen U und U' gleich groß sind. Eine solche Beschaltung der zwei Targets läßt sich auch mit nur einer Wechselspannungsquelle erreichen, und zwar dadurch, daß die zwei Spannungsausgänge der Wechselspannungsquelle je weils an ein Target angeschlossen werden; in diesem Fall ist der Rezipient mit der Wechselspannungsquelle elektrisch nicht verbunden.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen texturierter YSZ-Schichten durch Sputter-Beschichten in einem mit einem sauerstoffhaltigen Prozeßgas gefüllten Rezipienten, bei dem

1. - an ein Target im Rezipienten eine elektrische Spannung angelegt wird,
2. - eine Gasentladung unter Bildung eines Teilchen enthaltenden Plasmas gezündet wird,
3. - der Rezipient bis zu einem Druck evakuiert wird, der im Hinblick auf die mittlere freie Weglänge der Teilchen im Plasma und den Abstand zwischen dem Target und einem Substrat im Rezipienten geeignet gewählt ist, und
4. - das Substrat und das Target unter einem vorgegebenen Winkel
5. - zueinander angeordnet sind, so daß ein aus den Teilchen des Plasmas gebildeter Teilchenstrahl unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat trifft,
dadurch gekennzeichnet, daß
6. - als Target ein metallisches Target (20) aus Zirkonium und
7. - Yttrium verwendet wird und
8. - aus dem metallischen Target (20) herausgelöste Targetteilchen unter Bildung eines Oxids oxidiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

- dadurch gekennzeichnet, daß

1. - als elektrische Spannung (U) eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz im kHz-Bereich angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

1. - in bezug auf das Substrat (33) spiegelsymmetrisch zu dem einen Target (20) ein weiteres Target (20') angeordnet ist und
2. - an das weitere Target (20') eine weitere elektrische Spannung (U') angelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

1. - als weitere elektrische Spannung (U') eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz im kHz-Bereich angelegt wird

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß

1. - die eine und die weitere elektrische Spannung (U, U') Wechselspannungen sind, die die gleiche Frequenz und den gleichen Betrag aufweisen und untereinander um 180 Grad phasenverschoben sind.