DE4110930A1

DE4110930A1 - Verfahren zur herstellung einer duennen nitrid- oder oxidschicht auf einer oberflaeche

Info

Publication number: DE4110930A1
Application number: DE19914110930
Authority: DE
Inventors: Ibrahim Adnan Prof D Saracoglu; Erich Josef Dr Schiefer
Original assignee: AVL List GmbH; AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1991-10-10
Also published as: AT395019B; ATA81890A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Nitrid- oder Oxidschicht auf einer Oberfläche durch reaktive Kathodenzerstäubung oder reaktive Magnetronkathodenzerstäubung von Metallen aus der Gruppe Ti, Si, Al, Zr, Hf, Mo, Ta und W im Vakuum in einer Prozeßgasatmosphäre, welche ein hauptsächlich Argon enthaltendes Edelgasgemisch und als reaktive Gaskomponente Stickstoff oder Sauerstoff aufweist, wobei die entsprechende Nitrid- oder Oxidschicht aus der Gasphase abgeschieden wird.

Bei der reaktiven Kathodenzerstäubung wird das Material einer Kathode (Target) durch Beschuß mit Argonionen in die Gasphase überführt, d. h., das Kathodenmaterial wird zerstäubt. Dem in dieser Weise resultierenden Prozeßgas werden reaktive gasförmige Komponenten, wie etwa Sauerstoff oder Stickstoff zugemischt, welche zusammen mit dem zerstäubten Kathodenmaterial auf der zu beschichtenden Oberfläche als dünne Oxid- oder Nitridschicht abgeschieden werden. Bei der reaktiven Magnetronkathodenzerstäubung befindet sich das Target in einem Magnetfeld. Durch Variation der Verfahrensparameter, wie Zerstäubungs- und Abscheiderate sowie Prozeßgasdruck und Prozeßgaszusammensetzung, können dünne Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder unterschiedlicher Morphologie erzeugt werden.

Es sind derzeit eine Vielzahl von derartigen Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten auf Oberflächen mittels Reaktivsputterns nach dem PVD-Verfahren (Plasma Vapour Deposition) oder PACVD-Verfahren (Plasma Activated Vapour Deposition) bekannt, wobei ein Großteil dieser Verfahren als Prozeßgasgemisch Argon plus Stickstoff, Argon plus Sauerstoff und/oder auch Beimengungen von Wasserstoff verwenden.

Beispielsweise ist aus der EP-A 03 26 935 ein Verfahren der eingangs genannten Art bekanntgeworden, wo zur Herstellung einer dünnen röntgenamorphen Aluminiumnitrid- oder Aluminiumsiliciumnitridschicht als Prozeßgas ein Gemisch aus Argon und einem oder mehreren der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon verwendet wird, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu den anderen Edelgasen bei 2 : 1 bis 100 : 1 und das Volumsverhältnis des Edelgasgemisches zu Stickstoff bei 2 : 1 bis 10 : 1 liegt. Die zusätzlichen Edelgase werden hier hauptsächlich zur Steuerung der Schichtdickenzusammensetzung, nämlich zur Erzielung einer homogenen röntgenamorphen Schicht zugesetzt.

Alle bekannten Verfahren haben gemeinsam, daß sich die Abscheiderate nicht erhöhen läßt, ohne auch die Zusammensetzung der Schicht zu verändern oder die Energiezufuhr im entsprechenden Maß zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ohne Erhöhung der Energiezufuhr und ohne wesentliche Beeinträchtigung der Schichtstruktur die Abscheiderate signifikant erhöht wird, wobei das Verfahren nicht auf röntgenamorphe Schichten beschränkt sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Edelgasgemisch Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 40 : 1 und 500 : 1, vorzugsweise zwischen 50 : 1 und 200 : 1, liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß durch Hinzufügen von relativ geringen Mengen von Helium ohne Änderung der übrigen prozeßbestimmenden Parameter, wie Energieverbrauch, Zerstäubungsrate, Zusammensetzung der Schicht, Qualität der Schicht, die Abscheiderate signifikant erhöht werden kann. Insbesondere für industrielle Anwendungsbereiche des Reaktivsputterns bedeutet dieses neue Verfahren die Möglichkeit, 10 bis 40% an Zeit und Energie bei der Herstellung von Sputterschichten einzusparen, so daß Sputteranlagen wesentlich wirtschaftlicher betrieben werden können.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Edelgasgemisch zusätzlich zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon enthält, wobei das Volumsverhältnis des Edelgasgemisches zu Stickstoff im Bereich von 2 : 1 bis 20 : 1 liegt bzw. das Volumsverhältnis des Edelgasgemisches zum Sauerstoff im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 8 liegt.

So kann erfindungsgemäß zur Herstellung einer Titannitridschicht ein Prozeßgasgemisch verwendet werden, welches Argon, Stickstoff und Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 50 : 1 und 200 : 1 liegt, wobei gegebenenfalls noch zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon beigemischt werden kann, dessen Volumsverhältnis zu Argon zwischen 1 : 3 und 1 : 25 liegt.

Ein Beispiel für die Effizienz des neuen Verfahrens ist durch Vergleich mit den üblichen Standardverfahren für die Herstellung einer Titannitridschicht nach dem PACVD-Verfahren dargestellt, wobei bei gleichbleibenden geometrischen Verhältnissen, bei einer Energiezufuhr von 980 Watt und einer Hochfrequenz von 13,6 MHz die Ergebnisse der Versuche I bis IV gegenübergestellt werden (siehe Tab. 1). Die Abscheiderate a ist in Nanometer pro Sekunde angegeben.

Tabelle 1

Von I bis III erhöht sich die Abscheiderate um bis zu 31%, ohne daß sich dabei die Stöchiometrie von TiN ändert. Eine weitere Zunahme des Heliumanteiles führt zwar zu einer weiteren Erhöhung der Abscheiderate a, es sind jedoch Einflüsse auf der TiN-Stöchiometrie erkennbar.

Wie aus Tab. 1 ersichtlich, kann durch das Hinzufügen einer verhältnismäßig sehr geringen Menge an Helium zum Prozeßgasgemisch eine signifikante Erhöhung der Abscheiderate a von 31 bis 35% festgestellt werden, wobei sich außerdem noch eine Verbesserung der Schichtqualität gegenüber Lochfraß und Abrieb der Schicht bei hohen Temperaturen und Drücken ergibt. Insbesondere ist es ein unerwarteter Effekt, daß derart geringe Mengen an Helium eine derart signifikante Erhöhung der Abscheiderate bei ansonsten gleichbleibenden Parametern ergibt.

Der physikalische Hintergrund dürfte hier darauf beruhen, daß Helium - auch in geringen Beimengungen - durch seine höhere Beweglichkeit im Plasma mit seinem anregbaren Niveau über sekundäre Anregungsprozesse von Titan und/oder Stickstoff die Reaktionsrate wesentlich erhöht. Durch das zusätzlich beigemengte Helium zur Prozeßatmosphäre wird offensichtlich die Energieübertragung vom Argonplasma auf z. B. Stickstoff und Titan verbessert, wodurch bei gleichbleibender Primärenergiezufuhr die Abscheiderate erhöht wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Herstellung einer Titanoxidschicht ein Prozeßgasgemisch verwendet wird, welches Argon, Sauerstoff und Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 70 : 1 und 200 : 1 liegt, sowie daß gegebenenfalls noch zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon beigemischt wird, wobei dessen Volumsverhältnis zu Argon zwischen 1 : 4 und 1 : 25 liegt.

Ein Beispiel für eine TiO₂-Schicht ist aus Tab. 2 ersichtlich, wobei alle übrigen Parameter jenen der Tab. 1 entsprechen. Auch hier ist ein deutlicher Anstieg der Abscheiderate a erkennbar.

Tabelle 2

Schließlich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht ein Prozeßgasgemisch verwendet wird, welches Argon, Sauerstoff und Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 50 : 1 und 200 : 1 liegt, sowie daß gegebenenfalls noch zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon beigemischt wird, wobei dessen Volumsverhältnis zu Argon zwischen 1 : 3 und 1 : 25 liegt. Ein Beispiel für eine Al₂O₃-Schicht ist aus Tab. 3 ersichtlich.

Tabelle 3

Die in den Tabellen 1 bis 3 dargestellten Beispiele für die Verhältnisse der verschiedenen Gase Argon zu Helium bzw. Argon zu Stickstoff oder Sauerstoff sind hier im wesentlichen für stöchiometrische Sputterschichten aus TiO₂, TiN und Al₂O₃ angegeben. Für die Herstellung nichtstöchiometrischer Schichten muß das Volumsverhältnis von Edelgas zu Stickstoff bzw. Edelgas zu Sauerstoff entsprechend geändert werden. Daraus ergeben sich die angegebenen Bereiche für die Verhältnisse des Edelgasgemisches zu Stickstoff bzw. des Edelgasgemisches zu Sauerstoff.

Die angegebenen Volumsverhältnisse werden weiters durch die Stöchiometrie der Metallnitrid- bzw. Metalloxidschichten beeinflußt und variieren, je nachdem, ob das Metall 3-, 4-, 5- oder 6wertig ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Nitrid- oder Oxidschicht auf einer Oberfläche durch reaktive Kathodenzerstäubung oder reaktive Magnetronkathodenzerstäubung von Metallen aus der Gruppe Ti, Si, Al, Zr, Hf, Mo, Ta und W im Vakuum in einer Prozeßgasatmosphäre, welche ein hauptsächlich Argon enthaltendes Edelgasgemisch und als reaktive Gaskomponente Stickstoff oder Sauerstoff aufweist, wobei die entsprechende Nitrid- oder Oxidschicht aus der Gasphase abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgasgemisch Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 40 : 1 und 500 : 1 liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumsverhältnis von Argon zu Helium im Bereich von 50 : 1 bis 200 : 1 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgasgemisch zusätzlich zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon enthält, wobei das Volumsverhältnis des Edelgasgemisches zu Stickstoff im Bereich von 2 : 1 bis 20 : 1 liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgasgemisch zusätzlich zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon enthält, wobei das Volumsverhältnis des Edelgasgemisches zu Sauerstoff im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 8 liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Titannitridschicht ein Prozeßgasgemisch verwendet wird, welches Argon, Stickstoff und Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 50 : 1 und 200 : 1 liegt, sowie daß gegebenenfalls noch zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon beigemischt wird, wobei dessen Volumsverhältnis zu Argon zwischen 1 : 3 und 1 : 25 liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Titanoxidschicht ein Prozeßgasgemisch verwendet wird, welches Argon, Sauerstoff und Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 70 : 1 und 200 : 1 liegt, sowie daß gegebenenfalls noch zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon beigemischt wird, wobei dessen Volumsverhältnis zu Argon zwischen 1 : 4 und 1 : 25 liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht ein Prozeßgasgemisch verwendet wird, welches Argon, Sauerstoff und Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium enthält, wobei das Volumsverhältnis von Argon zu Helium zwischen 50 : 1 und 200 : 1 liegt, sowie daß gegebenenfalls noch zumindest eines der Edelgase Neon, Krypton oder Xenon beigemischt wird, wobei dessen Volumsverhältnis zu Argon zwischen 1 : 3 und 1 : 25 liegt.