DE4417114A1 - Vorrichtung und Verfahren zur teilchenselektiven Abscheidung dünner Schichten mittels Laserimpuls-Abscheidung (PLD) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Halbleitertechnik und der Werkstoffbeschichtung und betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur teilchenselektiven Abscheidung dünner Schichten mittels Laserimpuls-Abscheidung (PLD), mit deren Hilfe z. B. hochreine dünne Schichten für die Halbleitertechnik hergestellt werden können.

Die Herstellung von dünnen Schichten mit PLD nach dem Stand der Technik erfolgt mit einer Anordnung, bei der sich das Target unmittelbar gegenüber dem zu beschichtenden Substrat befindet. Durch Laserimpulse wird in der Wechselwirkungsfläche des Laser­ strahls mit dem Target Targetmaterial abgetragen und fliegt, wenn sich die Anordnung im Hochvakuum oder Ultra-Hochvakuum befindet, direkt ohne Stöße mit Restgasatomen zum gegenüberlie­ genden Substrat.

Wenn es sich beim Targetmaterial um eine chemischen Verbindung, z. B. Bornitrid handelt, und eine der Komponenten dieser Verbin­ dung flüchtig ist, wie im Beispiel Stickstoff, wird zwischen Target und Substrat mit einem Prozeßgas gearbeitet und zusätzlich zwischen dem Target oder einer Hilfselektrode und dem Substrat mittels einem hinreichend kräftigem hochfrequentem elektromagne­ tischem Feld eine Plasmaentladung gezündet. Durch die Plasmaent­ ladung werden zur Unterstützung der chemischen Reaktion auf dem Substrat die Moleküle des Prozeßgases zu Atomen dissoziiert und ionisiert. Verluste einer Komponente des Targetmaterials, die zum Beispiel dadurch entstehen können, daß sich während des Fluges des hocherhitzten Laserplasmas zum Substrat Stickstoffatome zu den chemisch sehr stabilen Stickstoffmolekülen verbinden und beim Reaktionsprozeß auf dem Substrat fehlen würden, lassen sich dadurch beheben.

Charakteristisch für das durch den Laserimpuls geschaffene Laser­ plasma ist, daß es neben Atomen und Ionen auch wesentlich größere Teilchen aus geschmolzenem Targetmaterial oder mikroskopisch kleine Teilchen vom Target selbst enthält. Die beiden o.g. Anord­ nungen verhindern nicht, daß diese Tröpfchen oder mikroskopisch kleinen Teilchen aus Targetmaterial auf das Substrat gelangen und das Wachstum der Schicht erheblich stören oder die Eigenschaften der Schicht nachteilig beeinflussen.

Eine Reduzierung der Dichte dieser Tröpfchen und Targetteilchen auf dem Substrat auf etwa 20% kann man durch die Verwendung eines Lasers mit kurzer Laserlichtwellenlänge erreichen. Die Beschaffungs- und Betriebskosten eines derartigen Lasers sind aber so hoch, daß ihre Verwendung in der Industrie dafür unwirt­ schaftlich ist.

Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung der Tröpfchen und Target­ teilchen, die durch die PLD auf dem Substrat entstehen, arbeitet mit zwei sich kreuzenden, zeitgleich angeregten Laserplasmen. Dabei stoßen die in einer sehr hohen Dichte vorliegenden kleinen Teilchen beider Plasmen mit einer entsprechend höheren Wahr­ scheinlichkeit zusammen als die größeren Teilchen und werden dadurch bevorzugt auf das Substrat abgelenkt. Mit diesem Verfah­ ren läßt sich zwar eine Reduzierung der Tröpfchen und Targetteil­ chen auf dem Substrat um eine Größenordnung erreichen. Es setzt jedoch die Verwendung zweier gut miteinander synchronisierter Laser oder einen leistungsstarken Laser voraus, dessen Impuls­ energie so hoch ist, daß die Energie des gesplitteten Laserimpul­ ses noch ausreichend hoch ist, um ohne eine wesentliche Erhöhung der Dichte der Tröpfchen und Targetteilchen das Targetmaterial abzutragen.

Die vollständige Beseitigung der Tröpfchen und Targetteilchen wird damit auch nicht erreicht. Damit ist auch dieses Verfahren nicht geeignet für die Herstellung von hochreinen, homogenen Schichten.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Beschichtungsrate durch den Stoßprozeß auf etwa 20-30% verringert wird und damit für eine industrielle Anwendung zu niedrig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe die Herstellung von dünnen Schichten möglich wird, bei denen die Anzahl an Tröpfchen und Targetteilchen um eine Größenordnung geringer ist, als bei Schichten, die nach bekannten Verfahren hergestellt worden sind.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur teilchenselektiven Abschei­ dung dünner Schichten mittels Laserimpuls-Abscheidung (PLD) enthält mindestens einen Laser und in einer Vakuumkammer minde­ stens ein Target, ein Substrat, ein Prozeßgas, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Feldes, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Substratvorspannung und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Vakuums mit einer Pro­ zeßgas-Einlaßöffnung.

Das oder die Targets sind dabei vor oder hinter dem oder den Substraten angeordnet und die Oberflächennormale der Ablations­ oberfläche des oder der Targets zeigt in den Halbraum, der über der Beschichtungsoberfläche des oder der Substrate liegt.

Vorteilhafterweise enthält die Vorrichtung eine oder mehrere Blenden die zur Abschirmung des oder der Substrate gegen das oder die Laserplasmen dienen.

Weiterhin enthält die Vorrichtung vorteilhafterweise eine oder mehrere Auffangflächen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur teilchenselektiven Ab­ scheidung dünner Schichten mittels Laserimpuls-Abscheidung (PLD) wird von einem oder mehreren Lasern mindestens ein Laserimpuls auf ein oder mehrere Targets ausgesandt. Durch diesen Impuls werden auf der Targetoberfläche ein oder mehrere Laserplasmen erzeugt, die in den über der Substratoberfläche liegenden Halb­ raum gerichtet sind und sich dort ausbreiten. In die Vakuumkammer wird weiterhin mindestens ein Prozeßgas eingegeben und mittels der Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Feldes und der Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Substratvorspannung wird in dem über der Substratoberfläche lie­ genden Halbraum ein hochfrequentes elektrisches Feld und ein durch die Substratvorspannung erzeugtes elektrisches Feld aufge­ baut. Dieser Verfahrensablauf wird ein oder mehrmals hintereinan­ der mit den gleichen Vorrichtungselementen durchgeführt.

Vorteilhafterweise werden das oder die Laserplasmen mittels einer oder mehrerer Blenden von der oder den Substratoberflächen abge­ schirmt.

Für das Wachstum homogener amorpher oder in noch stärkerem Maße kristalliner Schichten muß man gewährleisten, daß der Wachstums­ prozeß nur mit Teilchen von atomarer oder molekularer Größe, in einigen Ausnahmefällen auch mit aus mehreren Atomen bestehenden Clustern erfolgen kann.

Um dies zu erreichen, wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vor­ richtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens das durch den Laserimpuls auf der Targetoberfläche entstehende Laserplasma, das sowohl atomare als auch mikroskopisch große Teilchen enthält, nicht direkt auf die Substratoberfläche gerichtet.

Vorteilhafterweise wird sogar dafür gesorgt, daß z. B. durch Blenden oder eine entsprechende Position des Targets zum Substrat verhindert wird, daß das Laserplasma oder Teilchen des Laserplas­ mas direkt auf die Substratoberfläche gelangen.

Aus dem sich in dem über der Substratoberfläche liegenden Halb­ raum ausbreitenden Laserplasma müssen die Teilchen, die für die gewünschte Schicht benötigt werden, herausgetrennt werden. Im Interesse einer hohen Wachstumsrate darf man sich dabei nicht nur auf die ionisierten Teilchen des Laserplasmas beschränken, son­ dern muß auch die neutralen Teilchen mit erfassen.

Die Heraustrennung der gewünschten Teilchen aus dem Laserplasma erfolgt erfindungsgemäß über eine mechanische Beeinflussung der Bewegungsrichtung dieser Teilchen und ihre Ionisierung in einem hochfrequenten elektrischen Feld und ihre anschließende Bewegung durch das durch die Substratvorspannung erzeugte elektrische Feld auf die Substratoberfläche.

Zur mechanischen Beeinflussung der Bewegungsrichtung neutraler Teilchen ist nur der mechanische Stoß mit anderen Teilchen geeig­ net. Um den Teilchen diese benötigten Stoßpartner zur Verfügung zu stellen, wird deshalb in den über der Substratoberfläche liegenden Halbraum ein Prozeßgas eingeleitet.

Die gewünschten Teilchen stoßen mit den Atomen oder Molekülen des Prozeßgases zusammen. Da diese Stoßpartner vergleichsweise glei­ che Massen aufweisen, wird bei dem Stoß ein Impuls übertragen. Die Teilchen werden gestreut.

Die schweren und unerwünschten Teilchen fliegen dagegen aufgrund des ungünstigen Massenverhältnisses zwischen den Gasatomen oder Gasmolekülen und diesen schweren Teilchen nur geringfügig beein­ flußt gradlinig weiter und treffen vorteilhafterweise auf die dem Target gegenüberliegende Auffangfläche.

Durch das im über der Substratoberfläche liegenden Halbraum wir­ kende hochfrequente elektrische Feld werden die vom Target stam­ menden gestreuten Teilchen und die Teilchen des Prozeßgases weitgehend ionisiert. Durch das dort vorhandene durch die Sub­ statvorspannung erzeugte elektrische Feld werden dann die ge­ wünschten ionisierten Teilchen zum Substrat hin beschleunigt.

Die Art des eingesetzten Prozeßgases sollte sich nach dem spezi­ fischen Atomgewicht oder nach der Größe der gewünschten Teilchen richten. Grundsätzlich muß das Prozeßgas, im Gegensatz zu den bekannten PLD-Verfahren mit HF-Plasma, nicht am chemischen Prozeß der Schichtbildung auf dem Substrat beteiligt sein. Wenn ein reines leichtes Element abgeschieden werden soll, kann Argon, im Falle schwererer Elemente Xenon oder Krypton als Stoßpartner verwendet werden.

Der über der thermischen Energie der Gasteilchen liegende Betrag der kinetischen Energie der auf das Substrat treffenden Teilchen stammt bei optimalem Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Gegensatz zu den bisher bekannten PLD-Verfahren nicht aus dem Ablationsprozeß am Target, sondern vollständig aus der angelegten Substratvorspannung. Diese kinetische Energie wird im wesent­ lichen durch den Betrag der Vorspannung und die durch den Prozeß­ gasdruck vorgegebene freie Weglänge der Teilchen bestimmt und kann durch Veränderung dieser Größen leicht verändert werden.

Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Durch die Veränderung der Substratvorspannung kann die Energie der zur Beschichtung gewünschten Teilchen eingestellt und damit in vielen Fällen in einfacher Weise auf die Struktur der herzustellenden Schicht Einfluß genommen werden.

Weiterhin ist von Vorteil, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wirtschaftlich interes­ sante Wachstumsraten erreicht werden und kostengünstige Laser, wie z. B. CO₂-TEA-Laser, als Energiequelle zum Ablatieren des Be­ schichtungsmaterials von dem Target verwendet werden können.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß dünne Schichten hergestellt werden können, die völlig frei von Tröpfchen und Tar­ getteilchen ist.

Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Vor­ richtung, wie sie im Beispiel verwendet wird, gezeigt.

Von einem CO₂-TEA-Laser geht ein umlaufender Impuls aus, der auf mehrere Targets aus hexagonalem Bornitrid trifft. Diese Targets sind auf dem Umfang einer konzentrisch 40 mm hinter dem auf 400°C erwärmten Substrat angeordneten Kreisfläche mit einem Radius von 240 mm angebracht. Die Oberflächennormale der Targets bildet einen Winkel von 30° mit der Oberflächennormalen des Substrates.

Der Abstand zwischen den Targets und der Auffangfläche beträgt 200 mm und der Abstand zwischen der Auffangfläche und dem Sub­ strat beträgt 90 mm.

Die durch den Laserimpuls ausgelösten Laserplasmen mit dem abla­ tierten Material fliegen an einer Blende vorbei in den Raum zwischen Substrat und der Auffangfläche. Zwischen der Auffangflä­ che und dem Substrat liegt ein hochfrequentes elektrisches Feld mit einer Frequenz von 13,56 MHz an. Das für die Beschleunigung der im Raum zwischen Auffangfläche und Substrat gebildeten posi­ tiven Ionen zum Substrat benötigte elektrische Feld wird dadurch erzeugt, daß die Ankopplung der Substrathalterung an den HF- Generator über einen Kondensator vorgenommen wird. Aufgrund der wesentlich höheren Beweglichkeit der Elektronen gegenüber den Ionen kommt es unter diesen Voraussetzungen zur Ausbildung einer negativen Vorspannung des Substrates gegenüber der Auffangfläche, deren Betrag sich durch die angelegte HF-Leistung zwischen 50 V und 2 kV steuern läßt. Für dieses Beispiel ist eine Substratvor­ spannung von 800 V gewählt worden.

Als Prozeßgas wird Stickstoff verwendet. Der Stickstoffdruck liegt bei 10 Pa.

Die Vorrichtung ist besonders effektiv für die Beschichtung von Substraten mit großem Durchmesser geeignet.

Die so hergestellten Schichten auf dem Substrat bestehen aus polykristallinem kubischem Bornitrid und sind frei von Tröpfchen und Targetteilchen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur teilchenselektiven Abscheidung dünner Schich­ ten mittels Laserimpuls-Abscheidung (PLD) enthaltend mindestens einen Laser und in einer Vakuumkammer mindestens ein Target, ein Substrat, ein Prozeßgas, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Feldes und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Substratvorspannung, wobei das oder die Targets vor oder hinter dem oder den Substraten angeordnet sind und die Oberflächennormale der Ablationsoberfläche des oder der Targets in den über der Beschichtungsoberfläche des oder der Substrate liegenden Halbraum zeigen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung eine oder mehrere Blenden enthält, die zur Abschirmung des oder der Sub­ strate gegen das oder die Laserplasmen dienen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung eine oder mehrere Auffangflächen enthält.

4. Verfahren zur teilchenselektiven Abscheidung dünner Schichten mittels Laserimpuls-Abscheidung (PLD) bei dem von einem oder mehreren Lasern mindestens ein Laserimpuls auf ein oder mehrere Targets ausgesandt wird, der oder die auf der Targetoberfläche ein oder mehrere Laserplasmen erzeugen, die in den über der Substratoberfläche liegenden Halbraum gerichtet sind und sich dort ausbreiten, wobei in die Vakuumkammer mindestens ein Prozeß­ gas eingegeben wird und mittels der Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Feldes und der Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Substratvorspannung in diesem über der Substratoberfläche liegenden Halbraum ein hochfrequentes elektrisches und ein durch die Substratvorspannung erzeugtes elektrisches Feld aufgebaut wird, und dieser Verfahrensablauf ein oder mehrmals hintereinander mit den gleichen Vorrichtungselemen­ ten durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das oder die Laserplasmen mittels ein oder mehrerer Blenden von der oder den Substratober­ flächen abgeschirmt werden.