DE4333022A1

DE4333022A1 - Verfahren zur Herstellung bitexturierter Dünnfilme auf amorphen oder beliebig strukturierten Substraten

Info

Publication number: DE4333022A1
Application number: DE19934333022
Authority: DE
Inventors: Ronald Dipl Phys Gottzein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-03-30

Description

Die Erfindung gehört zum Gebiet der Dünnschichttechnologie.

Die Erfindung bezieht sich, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, auf ein Verfahren zur Herstellung bitexturierter Dünnfilme auf beliebigen, also auch amorphen bzw. polykristallinen Substraten unter Anwendung der Katodenzerstäubung, wobei das Substrat während der Deposition einem schiefwinkeligen Teilchenbeschuß ohne Hinzunahme einer externen Quelle ausgesetzt wird und die Parameter Teilchenenergie sowie Depositionsrate unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Um eine bitexturierte Dünnschicht, also eine Schicht, die nahezu einkristallines Verhalten aufweist, herzustellen, ist im allgemeinen ein einkristallines Substrat mit einer dem Deponat angepaßten Gitterkonstante erforderlich. Das hier beschriebene Verfahren erlaubt es, derartige Schichten auf beliebigen Substraten zu erzeugen. Ein Anwendungsbeispiel findet dieses Verfahren in der Deposition von bitexturierten Zwischenschichten auf gewalzten, also amorphen bzw. polykristallinen Blechen. Auf diese Zwischenschichten können dann in einem weiteren Prozeß hochtemperatursupraleitende Materialien aufgebracht werden, die sich der Textur der Zwischenschicht anpassen und somit eine gute Stromtragfähigkeit aufweisen. Derartig beschichtete Bleche finden z. B. Anwendung in der Herstellung magnetischer Abschirmungen oder in der Herstellung von hochtemperatursupraleitenden Kabeln in der Energietechnik.

Stand der Technik ist, daß einzelne Labormuster bitexturierter Schichten mit dem IBAD - Verfahren (Ion Beam Assisted Deposition) hergestellt werden können. Dabei handelt es sich um ein Aufdampfverfahren, bei dem die Substratoberfläche während der Deposition gleichzeitig mit Ionen aus einer separaten Ionenquelle unter einem schiefen Winkel bezüglich der Flächennormalen beschossen wird. Der Ionenbeschuß sorgt u. a. dafür, daß einerseits Teilchen, die eine unerwünschte Kristallorientierung eingehen, aufgrund ihrer geringeren Bindungskräfte wieder abgetragen werden und andererseits eine Vorzugsrichtung bezüglich der Bewegung des Deponats auf dem Substrat entsteht.

Dabei muß die Energie der Ionen innerhalb eines bestimmten Inter valles liegen, daß u. a. eine Funktion der Substrattemperatur und der Depositionsrate ist. Unabdingbar ist also eine separate Steuerung der Depositionsrate und der Energie der auf das Substrat treffenden Ionen.

Der Nachteil von IBAD liegt in der Anwendung einer Ionenkanone, die hohe Betriebskosten verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bitexturierte Dünnfilme auf beliebigen Substraten ohne Anwendung einer externen Teilchenquelle herzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Katodenzerstäubungseinrichtung mit, bezüglich der Flächennormalen der Katode schräg angeordnetem Substrat bei gleichzeitiger Kontrolle der Parameter Depositions rate und Teilchenenergie, verwendet wird. Deposition und Teilchenbeschuß kommt also aus der selben Quelle, eine zusätzli che Teilchenquelle wie bei IBAD erforderlich, entfällt hier also. Dabei stellt der Einfallswinkel der das Substrat bombardierenden Teilchen, ähnlich wie bei IBAD, einen bezüglich der kristallogra fischen Orientierung der aufwachsenden Schicht entscheidenden Parameter dar. Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5:

Zu 2: (Fig. 1) Ein auf Massepotential liegendes Gitter (7) unterteilt die Beschichtungskammer einerseits in einen teilchen erzeugenden Abschnitt zwischen der gegen Masse elektrisch isolierten (2) Katode (1) und Gitter (7) und andererseits in einen die Teilchenenergie beeinflussenden Abschnitt zwischen Gitter (7) und Substrat (4). Die kinetische Energie sowie der Teilchenfluß der von der Katode abgetragenen Teilchen ist u. a. eine Funktion der Spannung zwischen Katode und Gitter. Durch Regelung der Spannung Gitter - Substrat läßt sich die kinetische Energie der geladenen Teilchen beeinflussen, die sich wiederum durch Teilchenstoß mit Neutralteilchen teilweise auf diese überträgt. Erhöhen der Katoden - Gitter - Spannung (5) erhöht also den Teilchenfluß und die kinetische Energie der abgetragenen Teilchen, Variation der Gitter - Substrat - Spannung (8) beeinflußt dagegen lediglich die Teilchenenergie.

Zu 3: (Fig. 2) Das auf Masse liegende Gitter (7) wird durch Aufheizen zum Glühen gebracht und damit zur Emission von Elektronen angeregt. Eine auf positivem Potential liegende Ringanode (9) im Raum zwischen Gitter und Substrat beschleunigt die Elektronen in Richtung der Ringanode und erhöht durch Stoßionisation den Ionisierungsgrad der durch das Gitter tretenden Teilchen. Somit steht eine gegenüber Anspruch 2 erhöhte Anzahl elektrostatisch beeinflußbarer Teilchen zur Verfügung. Gleichzeitig sorgt die Ringanode für eine Fokussierung der geladenen Teilchen auf das Substrat.

Zu 4: (Fig. 3) Durch einen Elektromagneten (6) wird ein in seiner Feldstärke variables Magnetfeld vor der Katode erzeugt, daß die Zahl der geladenen Teilchen beeinflußt, was wiederum eine Steuerung der Abtragungsrate und somit des Teilchenflusses und eine Steuerung des Energieeintrags auf das Substrat (4) zur Folge hat. Variation der Katodenspannung hat ebenfalls einen Einfluß auf Teilchenfluß und Teilchenenergie, der Quotient aus Teilchen fluß und Teilchenenergie ist aber ein anderer als bei der Variation des Magnetfeldes, so daß sich wiederum beide Parameter in beliebiger Kombination zusammen setzen lassen.

Zu 5: Im Rezipienten wird ein genügend hoher Arbeitsdruck eingestellt, so daß die von der Katode abgetragenen Teilchen ihre durch die Katodenspannung mitgegebene kinetische Energie verlieren. Das bei der Katodenzerstäubung erforderliche Arbeitsgas wird an der Katode derart vorbeigeführt, daß das Deponat durch den Gasstrom zum Substrat transportiert wird. Der Teilchenfluß wird also allein durch den Gasfluß gesteuert. Ein zusätzliches elektrisches Potential am Substrat erlaubt dabei eine Steuerung der kinetischen Energie der geladenen Teilchen und damit eine Steuerung des Energieeintrages auf das Substrat. Auch hier kann die Wirksamkeit der Methode durch ein beheiztes Gitter zwischen Katode und Substrat und einer Ringanode im Raum zwischen Gitter und Substrat erhöht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung bitexturierter Dünnfilme auf amorphen oder beliebig strukturierten Substraten, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat während der Deposition einem schiefwinkeligen Teilchenbeschuß gegenüber der Teilchenquelle ohne Hinzunahme einer externen Quelle ausgesetzt ist und Teilchenenergie sowie Teilchenfluß unabhängig voneinander eingestellt werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Katodenzerstäubung als Beschichtungsverfahren eingesetzt wird und die elektrischen Potentiale an der Katode (1) und dem Substrat (4) gegenüber dem Gitter (7) separat eingestellt werden können und somit mit der Katodenspannung Teilchenfluß und kinetische Energie, sowie mit der Substratspannung die kinetische Energie der abgetragenen Teilchen beeinflußt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen Katode und Substrat liegende Gitter (3) derart beheizt wird, daß durch Glühemission austretende Elektronen den Ionisierungsgrad der durch das Gitter bewegten Teilchen weiter erhöhen und somit die Wirksamkeit des Verfahrens erhöhen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Katodenzerstäubung eingesetzt wird und ein regelbares Magnetfeld an der Katode Teilchenfluß und kinetische Energie der abgetrage nen Teilchen beeinflußt und eine Regelung der Katodenspannung ebenfalls Teilchenfluß und Teilchenenergie beeinflußt, aber auf einer anderen Kennlinie, so daß ein separates Einstellen beider Parameter möglich ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Katodenzerstäubung eingesetzt wird und das bei der
Katodenzerstäubung erforderliche Arbeitsgas an der Katode vorbei geführt wird, das Deponat aufnimmt und somit der Teilchenfluß über den Gasfluß eingestellt wird und die Steuerung der kinetischen Energie nach Anspruch 2 erfolgt.