DE4413045A1

DE4413045A1 - Sputter coating with non-metal films

Info

Publication number: DE4413045A1
Application number: DE19944413045
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl Phys Schlag; Werner Dipl Phys Dr Scherber
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1995-10-19

Abstract

Prodn. of layers metal cpds. by reactive sputtering is characterised by the fact that the amt. or compsn. of the reactive gas supplied is controlled as a function of determinable electrical quantities in the discharge space.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Filmen aus Metalloxiden oder anderen nicht metallisch leitfähigen Verbindungen mit genauer stöchiometrischer Zusammensetzung.The invention relates to a method for producing thin films Metal oxides or other non-metallic conductive connections with more precise stoichiometric composition.

Sputtern ist ein Prozeß, bei dem zwischen einem Target und einer Gegen elektrode in einer inerten Gasatmosphäre durch Anlegen einer Spannung eine Glimmentladung erzeugt wird. Die positiv geladenen Ionen des Plasmas schlagen aus dem Target Atome oder Moleküle heraus, die sich (teilweise) auf einem vor diesem Target angebrachten Substrat niederschlagen. Ist in der Gasatmosphäre zusätzlich ein Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch vor handen, kann dieses im Gegensatz zu dem inerten Sputtergas (meistens Argon) mit den Atomen oder Molekülen des Targets und den bereits losge schlagenen Atomen oder Molekülen reagieren.Sputtering is a process between a target and a counter electrode in an inert gas atmosphere by applying a voltage a glow discharge is generated. The positively charged ions of the plasma knock out atoms or molecules from the target, which (partly) on a substrate placed in front of this target. Is in the gas atmosphere additionally a reactive gas or reactive gas mixture in contrast to the inert sputtering gas (mostly Argon) with the atoms or molecules of the target and those already released struck atoms or molecules react.

Das Abscheiden metallischer, leitfähiger Filme wird gewöhnlich durch An wendung des Gleichstrom- (DC-) Sputterverfahrens durchgeführt, während zur Abscheidung nicht leitender Filme das Hochfrequenz- (RF-) Sputtern eingesetzt werden muß, um eine Aufladung der Sputterkathode (Target) zu vermeiden. Diese Aufladung wird nicht nur bei Targets aus isolierendem Aus gangsmaterial, sondern auch bei metallischen Targets beobachtet, wenn in reaktiver Atmosphäre, also in Gegenwart von Sauerstoff, Stickstoff oder ande ren reaktiven Gasen gesputtert wird, um die entsprechenden Verbindungen (z. B. Oxide, Nitride) zu erhalten.The deposition of metallic, conductive films is usually done by An using the direct current (DC) sputtering process, while high-frequency (RF) sputtering for the deposition of non-conductive films must be used to charge the sputtering cathode (target) avoid. This charge is not only used for isolating targets material, but also observed with metallic targets if in reactive atmosphere, i.e. in the presence of oxygen, nitrogen or other ren reactive gases is sputtered to the appropriate compounds (e.g. oxides, nitrides).

Bestehen mehrere stabile Verbindungen des Targetmaterials und des Reak tivgases, können mehrere dieser Verbindungen gleichzeitig entstehen, wenn die Bildungsbedingungen einer Verbindung nicht genau eingehalten werden.There are several stable connections between the target material and the reac tivgases, several of these compounds can arise simultaneously, if the formation conditions of a connection are not strictly observed.

Dies betrifft hauptsächlich Übergangsmetalle, die meist mehrere Oxidations stufen besitzen und damit verschiedene Verbindungen mit dem Reaktivgas (z. B. Oxide des Niobs: NbO, NbO₂, Nb₈O₁₉, Nb₁₂O₂₉, Nb₁₁O₂₇, NB₂O₅) eingehen können. Andererseits besteht auch beim reaktiven Sputtern von Metallen, welche nur eine stabile Verbindung mit dem Reaktivgas eingehen können, oft die Neigung, metallische Anteile in die Schicht mit einzubauen, was die Schichteigenschaften drastisch beeinflussen kann. Die Erzeugung von reinphasigen Filmen mit definierter Stöchiometrie kann sich auch bei sehr genau geregeltem Zufluß der Prozeßgase als unzureichend oder unmöglich erweisen.This mainly affects transition metals, which mostly have multiple oxidations have stages and thus different compounds with the reactive gas (e.g. oxides of niobium: NbO, NbO₂, Nb₈O₁₉, Nb₁₂O₂₉, Nb₁₁O₂₇, NB₂O₅) can enter into. On the other hand, there is also in reactive sputtering Metals that only form a stable connection with the reactive gas can, often the tendency to include metallic parts in the layer, which can drastically influence the layer properties. The production of pure-phase films with defined stoichiometry can also be very precisely controlled inflow of process gases as insufficient or impossible prove.

Ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen Films, in dem die Oxidationsstufe des Metalls exakt eingestellt werden kann, ist nicht bekannt. Dies betrifft vor allem oxidische Verbindungen, besonders Übergangsmetalloxide und Verbin dungshalbleiter, wie z. B. MoO_x, WO_x, NbO_x, VO_x, TaO_x, ZnO_x, CdO_x, BN, GaN, CdS, PbS sowie die Isolatoren Si₃N₄, TiN, TaN. A method for producing a thin film, in which the oxidation state of the metal can be set precisely, is not known. This particularly affects oxidic compounds, especially transition metal oxides and compound semiconductors, such as. B. MoO _x , WO _x , NbO _x , VO _x , TaO _x , ZnO _x , CdO _x , BN, GaN, CdS, PbS and the isolators Si₃N₄, TiN, TaN.

Die gängige Praxis ist, in diesen Fällen nicht vom Metall auszugehen, son dern die zu beschichtende Metallverbindung als Targetmaterial einzusetzen. Zusätzlich kann durch Einsatz einer reaktiven Gasatmosphäre die Stöchiome trie in gewissen Grenzen geregelt werden.The common practice is not to start with metal in these cases, son to use the metal compound to be coated as the target material. In addition, by using a reactive gas atmosphere, the stoichiomas be regulated within certain limits.

Da bei dieser Methode die Betriebsbedingungen des Sputtervorgangs relativ stabil sind, kann durch feines Dosieren des Reaktivgases ein reproduzier bares Beschichtungsergebnis erzielt werden. Diese Filme sind dann nicht unbedingt reinphasig aus der gewünschten Verbindung aufgebaut, zeigen aber für viele Anwendungen hinreichende Qualität. Der große Nachteil dieser Methode ist jedoch, daß die eingesetzten Targets in der Regel nicht elektrisch leitfähig sind und deshalb die wesentlich aufwendigere und kostspieligere RF-Sputtertechnik angewendet werden muß. Auch die Targets selbst sind wesentlich teurer als die entsprechenden Metalltargets und oft nicht im Han del erhältlich. Da jedes Schichtmaterial ein spezielles Target erfordert, ist zudem das Verfahren sehr schwerfällig und unbefriedigend, insbesondere, wenn Multilayersysteme aus metallischen und nichtmetallischen Schichten in einer Maschine und einem Prozeßgang aufgebracht werden sollen.Because with this method the operating conditions of the sputtering process are relative are stable, can be reproduced by fine metering of the reactive gas real coating result can be achieved. Then these films are not necessarily built up in pure phase from the desired connection but sufficient quality for many applications. The big disadvantage of this However, the method is that the targets used are generally not electrical are conductive and therefore the much more complex and expensive RF sputtering technology must be applied. The targets themselves are too much more expensive than the corresponding metal targets and often not in Han del available. Since each layer material requires a special target moreover, the process is very cumbersome and unsatisfactory, especially if multilayer systems made of metallic and non-metallic layers to be applied in one machine and one process cycle.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Oxida tionsstufe oder Wertigkeitsstufe eines Metalls in einem Sputterprozeß auf einfache, kostengünstige und zuverlässige Weise eingestellt werden kann, um damit Schichten mit definierter Stöchiometrie und hoher Phasenreinheit oder Multilayer aus metallischen und nichtmetallischen Filmen in einer Anlage zu erzeugen.The object of the invention is to provide a method by which the oxide tion level or valency level of a metal in a sputtering process simple, inexpensive and reliable way to set around layers with defined stoichiometry and high phase purity or multilayer of metallic and non-metallic films in one system to create.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bevorzugt ein DC-Sputterprozeß in Verbindung mit einem Metalltarget eingesetzt wird und durch einen Regel kreis die Zuführung der reaktiven Komponente des Sputtergases in Abhängig keit von einer charakteristischen, elektrischen Größe der Entladungsstrecke, insbesondere der Sputterspannung, geregelt wird.This object is achieved in that a DC sputtering process is preferred Connection with a metal target is used and by a rule circuit the supply of the reactive component of the sputtering gas depending on the characteristic, electrical size of the discharge path, especially the sputter voltage is regulated.

Üblicherweise wird die Stromversorgung zur Aufrechterhaltung der Glimment ladung so geregelt, daß entweder die an das Plasma angelegte Spannung oder der durch das Plasma fließende Strom konstant gehalten wird. Je nach Widerstand der Kathodenoberfläche (Oberflächenwiderstand) und in gerin gem Maß auch des Plasmas (Plasmawiderstand) stellt sich dann ein ent sprechender Strom oder eine entsprechende Spannung ein.Usually the power supply is used to maintain the glow charge regulated so that either the voltage applied to the plasma or the current flowing through the plasma is kept constant. Depending on Resistance of the cathode surface (surface resistance) and in low in accordance with the measure of the plasma (plasma resistance) then arises speaking current or a corresponding voltage.

Bedingt durch die Reaktion des Reaktivgases mit der Targetoberfläche oder den losgelösten Atomen im Plasma bildet sich beim sputterstromgeregelten Gleichstromsputtern zwischen Target und Gegenelektrode eine für die je weilige Oxidationsstufe charakteristische Sputterspannung aus. Wird die Sputterspannung geregelt, stellt sich ein charakteristischer Strom ein. Beim Hochfrequenzsputtern stellt sich eine für die jeweilige Oxidationsstufe charak teristische Bias-Spannung ein.Due to the reaction of the reactive gas with the target surface or The detached atoms in the plasma are formed in the sputter current controlled DC sputtering between target and counter electrode one for each characteristic oxidation sputter voltage. Will the Regulated sputter voltage, a characteristic current is established. At the High-frequency sputtering is a characteristic of the respective oxidation state teristic bias voltage.

Eine sich signifikant mit der Zusammensetzung der Verbindung ändernde Größe (z. B. die sich einstellende Sputterspannung, der sich einstellende Sputterstrom) kann erfindungsgemäß dazu verwendet werden, den Zufluß des Reaktivgases oder Reaktivgasgemischs so zu regeln, daß die charakte ristische Größe einen festen Wert behält. Dadurch werden die Bildungsbedin gungen für eine Verbindung mit konstanter Oxidationsstufe exakt eingestellt und es lassen sich damit dünne Filme mit exakter Stöchiometrie herstellen. A significantly changing with the composition of the compound Size (e.g. the sputtering voltage that arises, the Sputter stream) can be used according to the invention, the inflow to regulate the reactive gas or reactive gas mixture so that the characters size remains a fixed value. This makes the educational conditions Precisely adjusted for a connection with a constant oxidation level and it can be used to produce thin films with exact stoichiometry.

Das Verfahren bewährt sich besonders beim DC-Sputtern von Metallverbin dungen, kann aber in Einzelfällen auch beim RF-Sputtern Vorteile bringen, um die Phasenreinheit und die exakte Zusammensetzung der Schicht zu ver bessern.The process has proven particularly useful for DC sputtering of metal compounds but can also bring advantages in RF sputtering in individual cases, to verify the phase purity and the exact composition of the layer improve.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend beschrieben:An embodiment of the invention is described below:

Die einzige Figur zeigt einen Versuchsaufbau für reaktives Sputtern.The only figure shows an experimental setup for reactive sputtering.

Eine Vakuumkammer 1 wird durch einen Pumpstand 2 evakuiert. In dieser Vakuumkammer befinden sich ein Target 3 und vor diesem das zu beschich tende Substrat 4. Der Zufluß des Sputtergases Argon und des Reaktivgases Sauerstoff wird unter Flowmeter 5 geregelt. Für den sich in der Vakuumkam mer 1 einstellenden Druck ist hauptsächlich die Zuflußmenge von Argon aus schlaggebend. Diese wird so eingestellt, daß sich in der Vakuumkammer 1 ein Betriebsdruck von 0,3 Pa bis 10 Pa einstellt. Vorzugsweise wird bei Betriebsdrücken von 1 Pa gearbeitet.A vacuum chamber 1 is evacuated by a pumping station 2 . In this vacuum chamber there is a target 3 and the substrate 4 to be coated. The inflow of the sputtering gas argon and the reactive gas oxygen is regulated under flow meter 5 . For the pressure in the vacuum chamber 1 is mainly the inflow of argon. This is set so that an operating pressure of 0.3 Pa to 10 Pa is set in the vacuum chamber 1 . The operating pressure is preferably 1 Pa.

Die Glimmentladung vor dem Target 3 wird durch eine DC-Konstantstrom quelle 6 aufrechterhalten. Eine zur Sputterspannung proportionale Spannung wird einem Regelkreis zugeführt. Dieser Regelkreis steuert den Durchfluß des Reaktivgases Sauerstoff so, daß die Sputterspannung den für die zu erzeu gende Verbindung charakteristischen Wert beibehält.The glow discharge in front of the target 3 is maintained by a DC constant current source 6 . A voltage proportional to the sputter voltage is fed to a control circuit. This control circuit controls the flow of the reactive gas oxygen so that the sputter voltage maintains the characteristic value for the compound to be generated.

Im Ausführungsbeispiel wird dieser Regelkreis durch einen Personal-Compu ter 7, der mit einer AD/DA-Karte ausgestattet ist, realisiert. Die zugehörige Software regelt den Sollwert für den Durchfluß des Sauerstoff-Flowmeters so nach, daß bei einer Abweichung des Ist-Sputterspannungswerts vom Soll- Sputterspannungswert dieser Abweichung entgegengesteuert wird.In the exemplary embodiment, this control loop is realized by a personal computer 7 , which is equipped with an AD / DA card. The associated software adjusts the target value for the flow of the oxygen flow meter so that if the actual sputter voltage value deviates from the target sputter voltage value, this deviation is counteracted.

Verwendete Abkürzungen und Begriffe:Abbreviations and terms used:

DC Gleichstrom (direct current)
RF Hochfrequenz (radio frequency)
DC-Sputtern Sputter mit Gleichstrom
RF-Sputtern Sputtern mit Hochfrequenz
Flowmeter Durchflußregler
AD Analog-Digital-Wandler
DA Digital-Analog-WandlerDC direct current
RF radio frequency
DC sputtering DC sputtering
RF sputtering High frequency sputtering
Flowmeter flow controller
AD analog-digital converter
DA digital-to-analog converter

Claims

1. Production of layers of metal compounds by reactive sputtering, characterized in that the amount or composition of the reactive gas supplied is regulated as a function of tapped electrical quantities of the discharge gap.

2. DC sputtering method according to claim 1, characterized in that that the sputter current is kept constant and the inflow of the reak active gas depending on the glow discharge regulating sputter voltage is regulated.

3. DC sputtering method according to claim 1, characterized in that the sputter voltage is kept constant and the inflow of Reactive gas depending on that caused by the glow discharge flowing sputter current is regulated.

4. RF sputtering method according to claim 1, characterized in that that the inflow of reactive gas as a function of the low bias voltage is regulated.

5. sputtering method according to claims 1 to 4, characterized net that the reactive gas is oxygen.

6. Sputtering method according to claims 1 to 5, characterized net that a transition metal is used as the target material.

7. Sputtering method according to claim 6, characterized in that Niobium is used as the target material.

8. Sputtering method according to claim 6, characterized in that Vanadium is used as the target material.

9. sputtering method according to claims 1 to 8, characterized net that the control is implemented by an external circuit.

10. Sputtering method according to claims 1 to 9, characterized net that the measurement recording and control through a process happens computer that processes the data and the inflow of the Reak active gas regulates.