DE2750611A1

DE2750611A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschichtung eines substrats

Info

Publication number: DE2750611A1
Application number: DE19772750611
Authority: DE
Inventors: Guillermo Bomchil; Francois Buiguez; Sylvie Galzin; Alain Monfret; Louise Peccoud
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1976-11-15
Filing date: 1977-11-11
Publication date: 1978-05-24
Also published as: FR2371009A1; US4124474A; GB1586838A; JPS5362788A; FR2371009B1

Description

PATENTANWÄLTE DR.KADOR & DK KLUNKER

L 7 ^lui l· I !

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Beschichtung eines Substrates durch Reaktionszerstäubung sowie eine Vorrichtung zur Reaktionszerstäubung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Reaktionszerstäubung ist ein Beschichtungsverfahren, das zum Aufbringen sehr dünner Schichten von Verbindungen wie Oxiden, Nitriden, Sulfiden auf verschiedene Substrate (beispielsweise Glas, isolierende Halbleiter und dergleichen) besonders geeignet ist.

Das Reaktionszerstäubungsverfahren besteht darin, daß ein Target mit einer bestimmten chemischen Substanz, beispielsweise einem Metall, durch das Auftreffen von Ionen in einer Gasmischung zerstäubt wird, die ein reaktionsfähiges Gas wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff

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und im allgemeinen ein Inertgas wie etwa Argon enthält. Die aus dem Target herausgerissenen Atome vereinigen sich mit dem reaktionsfähigen Gas, um die erwünschte Verbindung zu bilden, die sich auf dem Substrat ablagern soll.

Es sind verschiedene Typen von Vorrichtungen zur Durchführung dieses Beschichtungsverfahrens bekannt:

Vorrichtungen des "Dioden"-Typs, in denen das ionisierte Gas oder Plasma durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen einer Platte (Anode) und dem Target erzeugt wird; diese Spannung erzeugt gleichzeitig das elektrische Beschleunigungsfeld für die Ionen;

Vorrichtungen des "Trioden"-Typs, in denen das Plasma durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen einem Elektronen aussendenden Draht und einer Anode angelegt wird; das die dritte Elektrode bildende Target wird auf einem Potential gehalten, das das Beschleunigungsfeld für die Ionen erzeugt;

Vorrichtungen, die als "Ionenkanonen" bezeichnet werden und in denen das Plasma in einer von dem Zerstäubungsraum getrennten Kammer erzeugt wird; die Ionen werden aus dieser Ionisationskammer durch Gitter herausgezogen, die auf einem geeigneten Potential gehalten werden; die Ionen treffen dann auf ein Target, das beispielsweise das Massepotential hat;

schließlich die als "Radiofrequenzgeräte" bezeichneten Vorrichtungen, die entweder einen dem Diodentyp oder dem Triodentyp entsprechenden Aufbau haben krtnnen und bei denen das Plasma in dem Zerstäubungsraum aus

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den Atomen der Gasmischung erzeugt werden, Indem an die GaBmlechungein elektromagnetisches Feld Im Radiofrequenzbereich durch induktive oder kapazitive Kopplung angelegt wird, wobei die Beschleunigung der erzeugten Ionen entweder durch dieses Feld oder durch eine an dem Target anliegende Gleichspannung erfolqt.

Einige dieser Vorrichtungen weisen ferner noch einige oder mehrere Magnetspulen auf, um in dem Zerstäubungsraum ein Magnetfeld zu erzeugen, das zum Einschluß des Plasmas und/oder zur Beeinflussung der Kollisionswahrscheinlichkeit zwischen den Teilchen dient.

Das Verfahren der Reaktionszerstäubung stellt eine interessante Verbesserung des Verfahrens der direkten Zerstäubung dar. Bei letzterem wird ein Target zerstäubt, das aus der als Beschichtung aufzubringenden Verbindung selbst besteht. Das bedeutet, daß die Beschaffenheit der aufzu bringenden Schicht von vornherein durch die Beschaffenheit des Targets festgelegt ist.

Dagegen kann man bei der Reaktionszerstäubung auf einfache Weise eine große Vielfalt von Verbindungen aus dem Material des Targets (das beispielsweise aus einfachen Metallen, binären Legierungen, ternären Legierungen besteht) und dem reaktionsfähigen Gas planen und so verschiedene Verbindungen wie Oxide, Nitride, Karbide, Boride oder Silicide erhalten, ohne daß es notwendig wäre, eine entsprechende Vielfalt von Targets herzustellen.

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Die Reaktionszerstäubung erlaubt außerdem eine überwachung der Reinheit der aufgebrachten Schichten durch eine Kontrolle der Reinheit des Targets und des reaktionsfähigen Gases sowie eine überwachung der Zusammensetzung der abgelagerten Schichten, selbst wenn diese thermisch instabil sind, da die Möglichkeit besteht, bei niedrigen Temperaturen (auf alle Fälle unterhalb von 2oo°C) zu arbeiten, was bei dem vergleichbaren Verfahren des Bedampfens im Vakuum nicht dr>r Fall ist.

Die Reaktionsitiochanismen zwischen den Atomen des zerstäubten Targets und des reaktionsfähigen Gases sind noch wenig bekannt und die Beschichtungsverfahren sind schlecht reproduzierbar. Zu der Durchführung dieser Verfahren ist ein langes Studium der experimentellen Bedingungen sowie eine sehr sorgfältige überwachung aller Parameter erforderlich, die die Beschaffenheit der Ablagerungen möglicherweise beeinflussen können.

Zahlreiche Autoren haben die Beschichtung durch Reaktionszerstäubung studiert und versucht, eine Erklärung dee Reaktionsmechanismus zu geben. Diese Erklärung lautet folgendermaßen: Wenn man den Partialdruck des reaktionsfähigen Gases in der Gasmischung sich ändern läßt, die in eine Vorrichtung zur Reaktionszerstäubung eingeführt wurde, wobei alle anderen Parameter für den Ionenbeschuß des Targets festgehalten werden (Insbesondere der Gesamtdruck der Gasmischung und die die Zerstäubung des Targets steuernden Parameter wie etwa das Potential des Targets), beobachtet man ab einem kritischen Partialdruck einen plötzlichen Abfall der Zerstäubungsgeschwindigkeit. Zum anderen zeigt eine Überprüfung der abgelagerten Schichten,

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daß es zwei Arten von Ablagerungen gibt: Bei einem Partialdruck des reaktionsfähigen Gases oberhalb des kritischen Wertes ist die Schicht von einer Verbindung aus dent das Target bildenden Stoff und dem reaktionsfähigen Gas gebildet, wobei die Zusammensetzung stöchloraetrisch erfolgt. Für einen Partlaldruck mit einem Wert unterhalb des kritischen Wertes besteht die Schicht In wesentlichen aus dem das Target bildenden Stoff und enthält eventuell gelöst Anteile des reaktionsfähigen Gases und/oder einen geringen Anteil der erwünschten Verbindung.

Die derzeitigen Verfahren, die eine Erzeugung von Beschichtungen ermöglichen, sehen daher folgendermaßen aus: In einem Behälter wird ein Vakuum in der Weise hergestellt, daß der Restdruck bei einem gegenüber dem Wert des kritischen Partialdruckes ρ sehr geringen Wert p_ eingestellt wird. Es werden alle Paramter festgelegt, welche das Plasma und die Beschleunigung der Ionen in Richtung auf das Target bestimmen (beispielsweise bei einer Vorrichtung des Triodentyps die Heizspannung des Drahtes, die Spannung zwischen Anode und Draht, das Potential des Targets und der Ober das Target fließende Strom). Man verändert die Zusammensetzung des in die Kammer eingeführten Gases derart, daß der Partialdruck ρ des reaktionsfähigen Gases über dem kritischen Wert ρ liegt. Die zuletzt genannte Maßnahme wird durch Kontrolle der beiden flauptzufuhrmengen, nämlich der Zufuhrmenge an reaktionsfähigem'Gas und der Zufuhrmenge an Inertgas durchgeführt. Die Regelung dieser beiden Zufuhrmengen soll natürlich so erfolgen, daß der Gesamtdruck in der Kammer die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Plasmas ermöglicht.

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Die Funktionsparameter der Zerstäubung, d.h. die den Beschüß des Targets kennzeichnenden Parameter, sind sehr zahlreich: Die Druckparameter umfassen den Restdruck p_Q, den Gesamtdruck der Ablagerung p_ sowie die Partialdrücke der Bestandteile der Gasmischung. Die elektrischen Parameter zur Steuerung der Zerstäubung des Targets sind beispielsweise die Heizspannung des Heizfadens, die Spannung zwischen Heizfaden und Kathode, das Potential des Targets, der über das Target fließende Strom und die Stärke des magnetischen Feldes. Die gleichzeitige Überwachung all dieser Parameter und das Stabilhalten ihrer Werte ist schwierig wenn nicht gar unmöglich. Eine derartige Überwachung ist außerdem ungenügend, da die Beschaffenheit der aufgebrachten Schichten gleichfalls von der Zusammensetzung des Restgases und des von den Wänden der Kammer absorbierten Gases abhängt, wobei diese Bedingungen praktisch unkontrollierbar sind. Ferner hängt die Beschaffenheit der aufgebrachten Schichten von der Art und der Menge der Ionen in dem Plasma,d.h. von der Zersetzung des eingeführten Gases ab.

Die derzeit praktizierten Verfahren erlauben daher nicht, reproduzierbare Beschichtungen zu erhalten. Ferner ist es nicht möglich, bei diesen Verfahren die Stöchiometrie der Schichten und die Beschichtungsgeschwlndigkeit zu kontrollieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eir. Verfahren sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben, mit Hilfe dessen auf einfache Weise reproduzierbare Beschichtungen hergestellt werden können, deren Stöchiometrie oder Beschaffenheit vorher festlegbar ist.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Beschichtung eines Substrates, bei dem die Schichten aus einer durch Reaktion einer chemischen Substanz mit einem reaktionsfähigen Gas gebildeten Verbindung bestehen und bei dem man in eine Kammer das Substrat, «ine das reaktionsfähige Gas enthaltende Gasmischung und ein die chemische Substanz enthaltendes Target einführt, Ionen erzeugt und diose durch ein' elektrische» PeId derart beschleunigt, daß sie auf das Target aufprallen und dabei die chemische Substanz zerstäuben, wobei sich . diese unter Bildung der für die Beschichtung gewünschten Verbindung mit dem reaktionsfähigen 633 verbindet, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß alle den lonenheechuß des Targets steuernden Parameter festgehalten werden mit Ausnahme eines Parameter, der ale Regelparameter bezeichnet wird, daß durch Beeinflussung des Regelparameters der Beechichtungaprozeß ausgelöst wird, daß in jedem Augenblick der Abfall des Gesamtdruckes in der Kammer ausgehend vom Anfangsdruck gemessen wird und daß der Abfall des Gesamtdruckes durch Änderung des Regelparameters gesteuert wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Reaktionszerstäubung, mit Hilfe derer das vorstehend beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann und die erflndungsgemäß eine Meßeinrichtung zur Messung des Gesamtdruckes in der Kammer und eine Einrichtung umfaßt, die eine Regelung des Gesamtdruckes auf einen Sollwert durch Einwirkung auf einen der Parameter ermöglicht, die den Beschüß des Targets durch die Ionen dos Plasmas steuern.

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Nachfolgend sind Ausführungs formen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Reaktionszerstäubung des Trioden-Typs mit den durch die Realisierung der Erfindung erfolgten Änderungen,

Fig. 2 eine Kurvenschar, deren Kurven für unterschiedlich zusammengesetzte* Gasmischungen den Abfall des Gesamtdruckes im Verlauf der Beschichtung in Abhängigkeit der an dem Target angelegten Spannung für eine Einrichtung gemäß Fig. 1 zeigen,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Änderungen des Gesamtdruckes und der Beschichtungsgeschwindigkeit für eine bestimmte Gasmischung bei einer Einrichtung gemäß Fig. 1 wiedergibt,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche die Änderungen der optischen Eigenschaften der mit der Einrichtung gemäß Fig. 1 erhaltenen Schichten in Abhängigkeit der an dem Target während des Ablaufs des Verfahrens angelegten Spannung und für eine bestimmte Gasmischung zeigt, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche die Änderungen des spezifischen Widerstandes der mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erhaltenen Schichten in Abhängigkeit der während des Ablaufs des Verfahrens an dem Target angelegten Spannung für eine bestimmte Gasmischung zeigt.

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Die Fig. 1 zeLgt eine Vorrichtung zur Reaktionszerstäubung des "Trioden"-Typs. Diese Vorrichtung umfaßt eine Vakuumkammer 1. Eine schematisch dargestellte Evakuierungseinrichtung 3 erlaubt die Erzielung eines Vakuums mit einem Restdruck von weniger als 4 χ 1o Torr. Die Evakuierungseinrichtung umfaßt eine trocken arbeitende Primärpumpe in Form einer Pumpe mit Graphitschaufeln, eine mit flüssigem Stickstoff gekühlte Sorptionspumpe und eine mit flüssigem Helium gekühlte sekundäre Tiefsttemperaturpumpe. Diese Evakuierungseinrichtung 3 hat den Vorteil, daß sich mit ihr ein sehr gutes Vakuum erreichen läßt.

Der Druck im Inneren der Kammer wird mit einer hochempfindlichen Meßsonde 5 gemessen. Es handelt sich um eine Hochdruckmeßsonde, wie sie beispielsweise in der französischen Patentanmeldung 69 11 991 beschrieben ist, die den Vorteil hat, daß sie präzise, empfindlich und funktionsfähig in Anwesenheit des im Verlauf des Verfahrens erzeugten Plasmas ist.

Im Inneren der Kammer befinden sich:

- ein Elektronen aussendender Heizdraht 7 aus Wolfram

- eine kreisförmige Anode 9 aus rotem Kupfer mit einem Durchmesser von 6o mm, die in einem Abstand von 25 cm gegenüber dem Heizdraht 7 angeordnet ist,

- eine ebene und rechteckige Kathode 11 aus rotem Kupfer mit einer FlMche von 2oo mm χ 6o mm,

- ein metallisches Target 13 aus einer Indium-Zinnlegierung mit den gleichen Abmessungen wie die Kathode 11, auf der es befestigt ist, und

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- einen ebenen Substratträger 15 der Abmessungen 21o mm χ 7o mm, der gegenüber der Kathode mit einem zwischen 5 bis 7 cm einstellbaren Abstand angeordnet ist.

Die Kammer 1 ist mit einer Einfülleinrichtung 17 zur Zufuhr eines aus Argon und Sauerstoff bestehenden Gasgemisches versehen. Nicht dargestellte mikrometrisch einstellbare Schieber steuern die Mengen und die Mengenverhältnisse der beiden Gase.

Zwei MagnetspuLen 19 und 19', die als Helmholz-Spulen angeordnet und in Serie an einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle liegen, umgeben die Kammer 1 und erzeugen in der zwischen dem Target 13 und dem Substratträger 15 liegenden Zone ein gleichförmiges Magnetfeld.

Die verschiedenen innerhalb der Kammer 1 angeordneten Organe sind mit der Außenwelt durch elektrische Leiter verbunden, welche die Wände der Kammer 1 in isolierenden Durchführungen durchdringen: Auf diese Weise liefert die Druckmeßsonde 5 ihr Meßsignal an einen Ausgang 21; die beiden Klemmen des Heizdrahtes 7 sind mit den zwei Klemmen einer Gleichspannungsquelle 23 verbunden, deren eine Klemme auf dem Massepotential der Anordnung liegt; an der Anode 9 liegt eine gegenüber der Masse gemessene Gleichspannung V von einer Gleichspannungsquelle 25 her an; die Kathode 11 ist über als Sicherungen dienende Lampen, die durch einen Widerstand 29 symbolisiert sind, mit einer eine Spannung V abgebenden Spannungsquelle

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27 verbunden und befindet sich auf einem Potential V^.

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Der Kathodenstrom wird mittels eines Amperemeters 31 gemessen und die Spai 33 überwacht werden.

gemessen und die Spannung V kann durch ein Voltmeter

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Die vorstehend anhand der Fig. 1 beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, Schichten aus mit Zinn dotiertem Indiumoxid zu erhalten, die transparent und leitfähig sind und als transparente Elektroden insbesondere in elektronischen Einrichtungen zur Ladungsübertragung und in mit flüssigen Kristallen arbeitenden Vorrichtungen zur optischen Anzeige verwendet werden. Die Vorrichtung wurde einer außerordentlich ausführlichen experimentellen überprüfung durch die Erfinder unterworfen. Hauptziel dieser Studie war es, die Änderungen des Gesamtdruckes p_T im Inneren der Kammer während des Ablaufs der Beschichtung sehr genau zu verfolgen. Der Druck wurd?dabei durch die Mesßsonde 5 gemessen.

Es wurde festgestellt, daß bei einem gegebenen anfänglichen Gesamtdruck, bei einer bestimmten und durch entsprechende Zufuhr regulierten reaktionsfähigen Mischung aus Argon und Sauerstoff und bei -iner festen Entlactungsspannung V. die Änderung des Gesamtdruckes in Abhängigkeit der Targetspannung V_v streng reprodzierbar ist. Dies ergibt sich aus der Kurvenschar in Fig. 2, welche den Abfall Δ__ des Gesamtdruckes, aus-

_5 PT

gedrückt in 1o Torr, in Abhängigkeit der Targetspannung V_v, ausgedrückt in Volt, für eine Entladungsspannung V- von 95 Volt und ein Einschlußmagnetfeld von 72,5 Gauss

wiedergibt. Jede Kurve entspricht einer gegebenen Zusammensetzung des Gasgemisches: 11% Sauerstoff und 89% Argon für Kurve I, 14% Sauerstoff und 86% Argon für Kurve II, 2o% Sauerstoff und 8o% Argon für Kurve III, 25% Sauerstoff

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und 75?. Argon für Kuivp IV und 29* Sauerstoff und 71% Argon für Kurve V.

Hei jeder Kurve kann man drei Zonen unterscheiden:

1. Für kleine Targetspannungen tritt eine Übergangszone auf, in der dor Gesamtdruck langsam mit wachsender Targetspannung abnimmt, und zwar in reproduzierbarer und reversibler Weise;

2. hierauf erfolgt eine Zone steilen Druckabfalls;

3. hieran schließt sich eine Zone an, in der eine Stabilisierung des Gesarntdruckes auf einem niedrigeren Niveau stattfindet.

Die verschiedenen dargestellten Kurven zeigen alle den gleichen Verlauf. Die Entwicklung des Druckabfalles ist gekennzeichnet durch eine gemeinsame Ubergangszone, wobei zu höheren Spannungen hin steile Abfälle auftreten, die mit der Zunahme des Sauerstoffanteiles zu immer tiefer gelegenen Plateaus führen.

Wie man ferner aus Fig. 3 erkennt, sind die Änderungen des Gesamtdruckes von Änderungen der Ablagerungsgeschwindigkeit begleitet. In dieser Figur zeigt die Kurve A den Verlauf der Ablagerunqsgeschwindigkeit v, in K pro Minute in Abhängigkeit der Targetspannung V in Volt ftlr den Fall,

daß die Entladungsspannung V 12o Volt beträgt und das Gasgemisch 1-1% Sauerstoff und 86% Argon enthält.

In die qleiche Figur wurde die Kurve R einaezeichnet, weiche d?n Verlauf des Gasamtdruckes P_ in Einheiten von

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1o Torr wiederqibt. Man sieht, daß bei qerinqer Druckabnahme die Ablagerungsgeschwindigkeit qerinq bleibt, was charakteristisch für eine :'erstäubung von Oxid auf dem Tarqet ist; auf dem unteren Druckniveau ist die Ablagerungsgeschwindigkeit qroß und entspricht im wesentlichen einer Zerstäubung von Metall in dem Tarqet: Der Verlauf der Ablaqerunqsqeschwindiqkeit aeiqt einen steilen übergang in dem gleichen DereLch wie der Verlauf des Gesamtdruckes.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 sollen nun die optischen Eigenschaften der erhaltenen Schichten beschrieben werden: Transmiss Ions-und Reflexionsmessungen wurden an auf poliertem Saphir aufgebrachten Schichten von 12oo Λ Dicke durchgeführt. Die Schichten wurden bei einer Kntladungsspannunq V von 1Io Volt und einem Gasgemisch auπ 14% Sauerstoff und 86% Argon erhalten. Die Kurve C zeigt den die Schicht durchdrinqenden Prozentsatz des einfallenden Lichtes mit einer Wellenlänge von fiooo A in Abhängigkeit der Spannung V (VoIL). Die Kurve D zeigt ebenfalls in

Abhängigkeit der Spannung V₁, die Änderung des Prozentsatzes an einfallendem Licht mit einer Wellenlänge von 6ooo A, das von der Schicht reflektiert wird. Die Änderungen der optischen Eigenschaften der Ablaqerunqen in Abhängigkeit der Target3pannung offenbaren die Entwicklung der Beschaffenheit der Ablagerungen mit Änderung dieses die Ablagerung steuernden Parameters.

Die bei geringer Spannung und geringer Ablagerungsgeschwindigkeit erhaltenen Schichten sind im sichtbaren Dereich und im nahen Infrarot durchsichtig (die Transmission ist hoher als 9o% für das gesamte Spektrum zwischen

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4οοο und 25οοο Λ) und verheilt Eich somit wie das stöchiometrische Oxid In₂O .

Mit wachsender Targetspannung wird die Transmission geringer und die Absorption merklicher. Die Schichten erscheinen undurchsichtig und getrübt, was ein Zeichen für die Anwesenheit des schwarzen Oxides In,0 und der Verarmung an Sauerstoff ist.

Bei den großen Ablagerungsgeschwindigkeiten entsprechenden Spannungen verhalten sich die erhaltener. Schichten optisch wie Metalle: Die Reflexion ist intensiv und die Transmission Null.

Die Änderung des n;> ■> tflschen Widerstandes der Schichten in Abhängigkeit der Targetspannung V ist in der Kurve E in Fig. 5 dargestellt. Der spezifische Widerstand ist in

X/ cm angegeben. Tn dor gleichen Fig. ist die Kurve A eingezeichnet, die mit jener in Fig. 3 identisch ist. Die Werte der verschiedenen Parameter sind die gleichen wie in Fig. 3. Die Kurve E zeigt die gleichen charakteristischen Merkmale wie jene Kurven, welche die Änderungen der Ablagpi ii(i<jyfjeschwindigkei t und der optischen Eigen schäften der Schichten wiedergeben, d.h. zwei Plateaus, von denen das eine geringen Spannunqswerten und das andere hohen Spannungswerten entspricht, die durch einen steilen Übergang voneinander getrennt sind. Die mit einer geringen Ablagerungsgeachwindigkeit aufgebrachten transparenten Schichten zeigen einen hohen spezifischen Widerstand von etwa 1o _C2. cm, wogegen im Bereich einer hohen Targetspannung die bei hoher Ablagerungsgeschwindigkeit erhaltenen, einen metallischen Anblick bietenden Schichten spezifische Widerstände in

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der Größenordnung von Io .Gern besitzrn.

Die Gesamtheit der Beobachtungen der physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten erlaubt den Schluß, daß eine Beziehung zwischen den verschiedenen experimentellen Bedingungen, die sich in einer ^nderunq des Druckabfalles A_n zeigen, und der Stöchiometrie

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des abgelagerten Oxides besteht. Die Beobachtungen erlauben es ferner, die Ablagerungsgeschwindigkeit und die Eigenschaften der Schichten vorauszusagen.

Die Reproduzierbarkeit der in Fig. 2 dargestellten Kurven zeigt in der Tat, daß es genügt, sich an einem bestimmten Punkt einer dieser Kurven aufzuhalten, um gleichförmige Ablagerungabedingungen über die Zeit hin zu wahren. Die Kurven der Fig. 3, 4 und 5 zeigen ferner,daß die Ablagerungsgeschwindigkeit, die Stöchiometrie der abgelagerten Schicht und die Eigenschaften, die wie die optischen Eigenschaften und der spezifische Widerstand an die Stöchiometrie gebunden sind, damit ebenfalls bestimmt sind. Durch Änderung dieses Arbeitspunktes kann man beliebig die Ablagerungsgeschwindigkeit und damit die Eigenschaften der aufgebrachten Schichten variieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft folgendermaßen ab:

- Zunächst wird durch Abpumpen der Anf^ngsdruck P₀ hergestellt.

- Alle Parameter, welche die Zerstäubung des Targets beeinflussen, mit Ausnahme der Targetspannung V , werden zu Beginn auf feste Werte eingestellt.

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Dies sind die Heizspannung und der Heizstrom für den Heizfaden, die Anodenspannung V. und das Magnetfeld B.

- Die Zusammensetzung des Gasgemisches wird eingestellt, d.h. die jeweiligen Prozentsätze an Sauerstoff und Argon sowie der Anfangsdruck p..

- Man gibt sich einen Sollwert vor, sei es

ein Druckwert ρ,, ein Wert der Ableitung ΔΡ^/Δ V oder eine zeitabhängige Funktion des Druckes p, (t)

Man läßt V anwachsen, worauf das Plasma gebildet K

wird und der Beschüß des Targets beginnt. Der Sauerstoff wird verbraucht und der Gesamtdruck in der Kammer nimmt ab. Durch alleinige Änderung des Parameters V erreicht man den Punkt der RegelVorschrift.

Das Verfahren kann manuell durch eine Bedienungsperson durchgeführt wurden, welche über die Druckmeßwerte verfügt und die Targetspannung V regelt. Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch selbsttätig durchgeführt mit Hilfe einer in Fig. 1 dargestellten Regelung. Ein numerischer Rechner bekannter Bauart, im allgemeinen als Mikroprozessor 35 bezeichnet, empfängt an seinem Eingang 37 das Druckmeßsignal, das vom Ausgang 21 der Meßsonde 5 abgegeben wird, und an seinem Eingang 39 das die Targetspannung V angebende Meßsignal. Der Sollwert wird über seinen Eingang 41 eingespeist. Der Mikroprozessor 35 liefert an seinem Ausgang 4 3 das Korrektursignal für die Targetspannung V , das auf die Spannungsquelle 21 gegeben wird, welche die Spannung V abgibt.

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Im Falle einer Druckreqelunq vergleicht der Mikroprozessor 35 einfach das über seinen Einqang 37 empfangene Meßsignal p_ des Gesamtdruckes und das über seinen Hingang 41 eingespeiste Sollwertsignal ρ,. Das am Ausgang auftretende Differenzsignal wirkt auf die Spannungsquelle 27 so lange ein, bis es zu Null wird.

Bei einer Regelung bezüglich der Druckänderung rechnet der Mikroprozessor 35 zunächst die Ableitung Δ P_T/d^v _K des an seinem Eingang 37 empfangenen Signales relativ zu dem an seinem Eingang 39 empfangenen Signal. Er vergleicht das Resultat mit dem an seinem Eingang 41 eingespeisten Sollwert Δ ρ,/Δν.,. Das am Ausgang 43 auf-

U Ix

tretende Differenzsignal wirkt auf die Spannungsquelle 27 so lange ein, bis es zu Null wird.

Es muß noch bemerkt werden, daß in dem Fall, wenn der Sollwert in einem Bereich der Kurven I bis V liegt, in dem sich die Kurven alle decken, der Prozentsatz des reaktionsfähigen Gases nicht im voraus genau festgelegt werden muß, um eine Steuerung des Ablacrerungsprozesses und der Eigenschaften der aufgebrachten Schichten zu erreichen. Dadurch wird die Durchführung des Verfahrens also noch einfacher.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden folgende Vorteile erhalten:

- die Beschaffenheit der Schichten ist für einen gegebenen Verfahrensablauf exakt reproduzierbar, da die verbrauchte Menge des reaktionsfähigen Gases geregelt wird unabhängig von der Beschaffenheit und dem Anteil der unabsichtlich in der Kammer vorhandenen oder absichtlich in die

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Kammer eingeführten Gase und unabhängig von eventuellen zufälligen Änderungen der anderen elektrischen Parameter (Entladungsstrom, Magnetfeld, Heizstrom und Heizspannung des Heizfadens und dergleichen;

- die Vorrichtung zur Beschichtung kann sehr einfach betrieben werden;

- man kann auf einfache und reproduzierbare Weise Schichten erhalten, deren Stöchiometrie oder Beschaffenheit (beispielsweise Oxidationsgrad) vorher bestimmbar ist.

Im folgenden wird ein Anwendunqsbeispiel beschrieben: Es soll eine transparente und leitfähige Schicht aus Indiumoxid bei maximaler Zerstäubungsgeschwindigkeit hergestellt werden.

Um eine Schicht aus transparentem In₂O₃ zu erhalten, muß man unter Bedingungen arbeiten, bei denen ein stöchiometrisches Verhältnis annähernd gewahrt ist, d.h. in dem Bereich, in dem der Druckabfall mit steigender Spannung V gering ist und der also vor dem steilen Abfall des Gesamtdruckes liegt, durch den eine metallische und daher undurchsichtige Ablagerung angezeigt wird.

Um einen geringen spezifischen Widerstand zu erhalten, muß die Schicht Sauerstoff-Fehlstellen aufweisen. Das bedeutet, daß die reagierenden Substanzen in einem leicht unterstöchiometriechen Verhältnis stehen müssen, jedoch nicht zu sehr, damit nicht die entstehenden Suboxide des Indiums die Schicht trübe machen.

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Man geht folgendermaßen vor:

Es wird angenommen, daß die Vorrichtung nach Art des Triodentyps arbeitet. Es wird ein Target aus reinem Indium befestigt (man kann auch ein Target verwenden, das aus einer Legierung von Indium mit einem anderen Metall, beispielsweise Zinn, besteht).

1. Anfängliches Evakuieren:

Das Ausgangsvakuum Po wird durch Auspumpen bis auf 5 χ 1o Torr unter Zufuhr von Argon hergestellt.

2. Mit dem Sauerstoffregelschieber wird die Zufuhr an

Sauerstoff so geregelt, daß man erhält: Po + Po_

-4 = 2 χ 1o Torr.

3. Mit dem Argonregelschieber wird die Zufuhr von Argon so eingestellt, daß man erhält

Pi = Po + Po₂ + P_Ar = 1,5 χ 1o~³ Torr. Im vorliegenden Fall besteht das Gasgemisch in der Kammer aus 14% Sauerstoff und 86% Argon.

4. Es werden die elektrischen Parameter eingestellt, nämlich der Heizstrom des Heizdrahtes (I_f), die Anodenspannung (V ) und der Anodenstrom (I.) , der die Magnetspulen durchfließende und ein Magnetfeld B erzeugende Strom derart, daß man ein stabiles Plasma erhält, wobei beispielsweise für V_A 95 Volt und für B 72,5 Gauss eingestellt werden.

5. Man läßt V_ bis zu einer Abnahme des Gesamtdruckes

7 χ 1o~⁵ Torr langsam anwachsen. Der Druck in der

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Kanuner beträgt dann 1,43 χ 1o Torr und die Ablagerung erfolgt mit der Maximalgeschwindigkeit v,, die mit der für Ablagerung erforderlichen Qualität noch verträglich ist. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Maximalgeschwindigkeit v, 8o Λ pro Minute.

Danach muß man durch Veränderung der Spannung V den Druck

ρ, während der gesamten Dauer der Beschichtung konstant halten.

Eine unter diesen Bedingungen hergestellte Schicht wird einen spezifischen Widerstand von 4 _Q.-cm und eine optische Durchlässigkeit T oberhalb von 9o% im gesamten sichtbaren Spektrum haben. Es ist zu bemerken, daß man durch Tempern den spezifischen Widerstand reduzieren kann, ohne die optische Durchlässigkeit T wesentlich zu verändern.

Im folgenden wird eine Variante beschrieben: Anstatt V. festzuhalten und V zu variieren, könnte man

A K

auch bei sonst gleichen Bedingungen die Kathodenspannung V auf einen Wert von 13oo Volt festlegen, was zu einer

Targetspannung V von etwa 22o Volt bei dem gewählten

Arbeitspunkt führt, und ebenfalls V verändern, bis man eine Änderung des Druckes um 7 χ 1o Torr erreicht hat, was bei einem Wert von V. in der Nähe von 95 Volt der

Fall ist.

Das vorstehend beschriebene Beispiel zeigt, daß die Spannung V. nicht der einzige Parameter ist, der bei der Ausführung der Erfindung als veränderlicher Parameter betrachtet werden kann.

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Es hat sich in der Tat herausgestellt, daß bei Zerstäubungsanordnungen dos Triodentyps die Beschichtung durch Beeinflussung der Targetspannung, des Targetstromes, der Anoden-Heizdrahtspannung, des Anoden-Heizdrahtstromes, der an dem Heizdraht anliegenden Spannung oder des in dem Heizdraht fließenden Stromes gesteuert werden kann.

Bei den Anordnungen des "Dioden"-Typs können die Anoden-Target-Spannung und der Anoden-Target-Strom verändert werden.

Bei den Vorrichtungen des "Ionenkanonen"-Typs kann das Potential der Ionenquelle, der von ihr gelieferte Ionenstrom und das Potential des Beschleunigungsgitters als veränderlicher Parameter verändert werden.

Bei den Vorrichtungen des Radiofrequenztyps kann man die verwendete elektromagnetische Leistung, das Potential des Targets und den über das Target fließenden Strom beeinflussen.

In allen Fällen, in denen man in der Kammer ein Einschlußmagnetfeld erzeugt, kann auch die Magnetfeldstärke als variabler Parameter verwendet werden.

Wenn auch die beschriebenen Beispiele sich auf ein Aufbringen von Oxiden durch Reaktionszerstäubung beziehen, ist es dennoch klar, daß die Erfindung auch beim Aufbringen anderer Verbindungen wie etwa Nitriden, Sulfiden und dergleichen anwendbar ist. Die fundamentale Erkenntnis, die bei der Verwirklichung der Erfindung verwendet

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wurde, besteht in der Tat darin, daß ein Gleichgewicht zwischen dem Verbrauch des reaktionsfähigen Gases und der Menge der aus dem Target herausqerissenenen Teilchen aufrechterhalten wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE DR. KADOR & DR. KLUNKER

K 12 082/3S

Commissariat a 1'Energie Atomique 29, rue de la Federation

75752 Paris Cedex 15, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats

Patentansprüche

r -.
1j. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, wobei die Schichten aus einer durch Reaktion einer chemischen Substanz mit einem reaktionsfähigen Gas gebildeten Verbindung bestehen und wobei man in eine Kammer das Substrat, ein das reaktionsfähige Gas enthaltendes Gasgemisch und ein die chemische Substanz enthaltendes Target einbringt, Ionen erzeugt und diese durch ein elektrisches Feld derart beschleunigt, daß sie auf das Target aufprallen und dabei die chemische Substanz zerstäuben, wobei sich diese unter Bildung der für die Beschichtung gewünschten Verbindung mit dem reaktionsfähigen Gas verbindet, dadurch gekennzeichnet , daß alle den Ionenbeschuß des Targets (13) beeinflussenden Parameter mit Ausnahme eines Parameters konstant gehalten werden, der als Regelparameter bezeichnet wird, daß man durch Beeinflussung des Regelparameterβ den BeschichtungsVorgang auslöst, daß in jedem Augenblick der Abfall des Gesamtdruckes (P_) in der Kammer ausgehend vom Anfangsdruck

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(Pj) gemessen wird und daß der Abfall des Gesamtdruckes (P_T) durch Änderung des Regelparameters gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abfall des Gesamtdruckes (P_T) konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ableitung des Gesamtdruckes (p-,) nach dem Regelparameter konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Abfall des Gesamtdruckes (p ) durch Beeinflussung des Regelparameters auf einen Sollwert geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Gasgemisch durch Anlegen einer Spannung zwischen einer Anode (9) und dem Target (13) ionisiert wird und daß als Regelparameter ein Parameter aus der die Anoden-Targetspannung, den Anoden-Target-Strom und die in der Kammer (1) erzeugte magnetische Feldstärke umfassenden Paramtergruppe gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Gasgemisch durch Anlegen einer Spannung zwischen einem Elektronen aussendenden Heizfaden (7) und einer Anode (9) ionisiert wird, daß die erzeugten Ionen aufgrund des Potentials (V₁,), auf dem sich das Target (13) befindet, in Richtung auf das Target (13) beschleunigt werden und daß als

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Regelparameter ein Parameter aus der den Heizstrom und die Heizspannung des Heizfadens, den Strom und die Spannung zwischen Heizfaden und Elektrode, die Stärke des in der Kammer erzeugten Magnetfeldes, das Potential des Targets und den über das Target fließenden Strom umfassenden Parainetergruppe gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionen in einer von der Kammer (1) getrennten Ionisationskammer erzeugt und mittels mindestens eines Beschleunigungsgitters beschleunigt werden, so daß sie in die Kammer eindringen und auf das Target aufprallen und daß als Regelparameter ein Parameter aus der das Potential der Ionenquelle,den von der Quelle erzeugten Ionenstrom, das Potential des Beschleunigungsgitters, das Potential des Targets (13) und die Stärke des in der Kammer erzeugten Magnetfeldes umfassenden Parainetergruppe gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionen durch Einwirkung eines starken elektrischen Wechselfeldes, vorzugsweise im Radiofrequenzbereich, auf das Gasgemisch erzeugt werden und daß der Regelparameter aus einer die Stärke des angelegten Wechselfeldes, die Stärke des in der Kammer (1) erzeugten Magnetfeldes, das Potential des Targetr, (13) und den über das Target (13) fließenden Strom umfassenden Parainetergruppe gewählt wird.
9. Vorrichtung zur Zerstäubung im Vakuum, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der An-

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' ORIGINAL INSPECTED

Ü 7 5 ύ ό Ι

Sprüche 1 big 8, umfassend eine dicht abgeschlossene Kammer, die ein zu zerstäubendes Target und ein zu beschichtendes Substrat einschließt, Mittel zur Zuführung eines bestimmten Gasgemisches in die Kammer, Mittel zur Erzeugung von Ionen und Mittel zur Beschleunigung der erzeugten Ionen in Richtung auf das Target, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (5) zur Messung des Gesamtdruckes (p_T) in der Kammer (1) sowie eine Regelvorrichtung (35) vorgesehen sind, um den Gesamtdruck (p_,) durch Beeinflussung eines der den Beschüß des Targets (13) durch Ionen steuernden Parameter auf einen Sollwert zu regeln, wobei dieser veränderliche Parameter als Regelparameter bezeichnet wird.

1o. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Regeleinrichtung einen Rechner (35) umfaßt, der einen Eingang (37) für den Druckmeßwert, einen Eingang (39) für einen den Regelparameter charakterisierenden Meßwert und einen Eingang für den Sollwert aufweist und ein Korrektursignal für den Regelparameter errechnet.

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