DE4432712C2 - Zur Beschichtung mit einem Hochtemperatur-supraleitenden Material geeignetes keramisches Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein zum Einsatz im Bereich der Beschichtungstechnik, insbesondere bei Einsatz von Hochtemperatur-supraleitenden Materialien, vorgesehenes Substrat mit Vorder- und Rückseite.

Bekanntlich finden Wafer ihre Verwendung als Substrate im Bereich der Beschichtungstechniken zur Herstellung von mikroelektronischen, optoelektronischen oder son­ stigen Bauelementen. Mit Hilfe zum Teil gegebenenfalls unterschiedlicher Depositionstechniken wird dabei Ma­ terial in Form einer oder mehrerer Schichten auf die Oberfläche auf einer Seite (Vorderseite) des Substrate aufgebracht. Teilweise erfolgt diese Deposition bei Temperaturen, die weit oberhalb Raumtemperatur liegen.

Die Deposition von insbesondere Hochtemperatur-supra­ leitenden Materialien (HTSL) verlangt je nach Abschei­ deverfahren, Prozeßdruck und Substratmaterial Tempera­ turen zwischen 750 und 850°C. Für die Abscheidung opti­ maler epitaktischer Pufferschichten, wie z. B. CeO₂, müssen Temperaturen von bis zu 900°C realisiert werden.

In dem zur Deposition relevanten Druckbereich von weni­ ger als 100 Pa wird der größte Teil der thermischen Energie durch direkte Wärmestrahlung und nur in gerin­ gem Umfang durch Konvektion übertragen.

Um eine bessere Ankopplung durch Konvektion und damit eine bessere Ausnutzung der vom Heizsystem bereitge­ stellten thermischen Energie zu erreichen, werden die zur Abscheidung verwendeten Substrate üblicherweise di­ rekt auf die Heizplatte oder den Substratträger, z. B. mit Silberleitkleber, geklebt. Diese Methode führt bei gleicher Heizleistung zu deutlich höheren Substrattem­ peraturen im Vergleich zu nicht aufgeklebten Substra­ ten. Allerdings ist dieses Verfahren nicht, oder nur schwer, mit einer automatischen Beladung zu vereinba­ ren. Des weiteren gehen Substrat und Heizer beim Prozeß eine oft nur sehr schwer lösbare Verbindung ein, und bei erhöhtem Sauerstoffpartialdruck ist eine deutliche Alterung des Klebers schon während des Prozesses zu be­ obachten. Eine konstante und homogene Aufwachstempera­ tur ist daher über einen längeren Zeitraum nicht ge­ währleistet.

Bei der Verwendung großflächiger Substrate hat sich das Klebeverfahren als vollkommen ungeeignet herausge­ stellt. Beim Aushärten des Klebers kann das Lösungs­ mittel nicht ungestört entweichen, ohne die Klebung in den Randbereichen zu zerstören. Es kommt daher nur stellenweise und nicht reproduzierbar zu einem hinrei­ chenderen Kontakt zwischen Heizplatte und Substrat.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Substrat zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile gemindert werden und insbeson­ dere eine verbesserte Ausnutzung der Heizenergie, eine homogenere Heizung sowie eine automatische Beladung des Substrats erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Substrat mit einer aus Kupfer gebildeten Schicht, die mit der Rückseite des Substrats verbunden ist. Es wurde erkannt, daß die zur Abscheidung von beispielsweise HTSL-Materialien verwendeten, gängigen Substratmaterialien, wie bei­ spielsweise MgO, SrTiO₃, YSZ, LaAlO₃ und Al₂O₃, nur eine geringe Absorption der Wärmestrahlung im relevanten Wellenlängenbereich besitzen. Dadurch ist der durch Wärmestrahlung sich übertragende Beitrag der Heizung relativ klein. Es wurde erkannt, daß durch Auftragen einer rückseitigen Beschichtung des Substrats mit Kup­ fer sich dieser Beitrag durch Wärmestrahlung erheblich vergrößert. Besonders vorteilhaft weist die Kupfer­ schicht auf der dem Substrat abgewandten Seite im Ober­ flächenbereich eine Kupferoxidschicht auf. Es wurde er­ kannt, daß in vorteilhafter Weise das schwarze Kupfer­ oxid die Funktion einer optimalen Absorptionsschicht hinsichtlich der Wärmestrahlung des Heizers übernimmt. Insoweit die Kupferoxidschicht nur zum Teil in oxidier­ ter Form vorliegt, wird zusätzlich in vorteilhafter Weise erreicht, daß das zwischen der Oxidschicht und dem Substrat verbleibende Kupfer aufgrund der nicht durchoxidierten Kupferschicht bis zum Substrat die auf der Rückseite des Substrats angebotene Temperatur homo­ gen über das Substrat verteilte so daß dadurch sehr re­ produzierbare und homogen beheizte Depositionsvorgänge auf diesem Substrat ermöglicht werden, auch dann, wenn es sich um Substrate größerer Abmessungen handelt. Ins­ gesamt eignet sich ein solches Substrat besonders bei kontaktloser, aber effektiver Ankopplung an das Heiz­ system zur Deposition bei erhöhten Temperaturen. Zu­ sätzlich wird in vorteilhafter Weise die erforderliche Heizleistung zur Erreichung einer bestimmten Substrat­ temperatur reduziert, was zu einer Energieeinsparung führt. Schließlich wird dadurch vorteilhaft auch eine Reduzierung des Abdampfens von auf dem Heizer deponier­ tem Material bewirkt.

Gemäß Anspruch 3 kann es dabei zweckmäßig sein, daß die Kupferschicht eine Schichtdicke im Bereich von 10 µm bis zu 150 µm aufweist. Schichtdicken außerhalb sind u. U. aber auch mehr oder weniger geeignet.

Ausführungsbeispiel

Druck: 0,066 mbar
Schichtdicke: 10 µm-150 µm
Prozeßgas: Argon
Verteilung: homogen über das Substrat oder gegebenenfalls zonenmäßig (z. B. zum Ausgleich von In­ homogenitäten des Heizers)

Die hier aufgeführten Parameter beziehen sich nur auf den HTSL-Prozeß. Das Verfahren läßt sich in alle Berei­ che der Technik, in denen Temperaturankopplung gefor­ dert ist, übertragen. T_C-Messung an einem 5,08 cm gro­ ßen LaAlO₃-Substrat wurden durchgeführt:

Aufbau LaAlO₃ -Substrat
rückseitig: Cu/CuO-Schicht
vorderseitig: YBaCuO-System

Diese HTSL-Schicht war ohne Cu-Beschichtung nicht her­ stellbar.

Im übrigen kann an Stelle des Kupfers, ggfs. mit oxi­ dierter Schichtoberfläche, ein anderes Material oder ei­ ne andere Materialkombination gewählt werden, soweit das Material eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit zur Übertragung der vom Heizer abgestrahlten Wärme auf die Rückseite des Substrats gewährleistet, gegebenenfalls in Kombination mit einer Oberflächenbeschichtung dieses Materials, die hinsichtlich der Absorption der vom Heizer abgestrahl­ ten Wärme möglichst dem Verhalten eines schwarzen Kör­ pers nahekommt. Dabei sollte die Materialwahl so vor­ genommen werden, daß diese nach Möglichkeit keine er­ heblichen Nachteile in Bezug auf die auf der Vorderseite des Substrats vorgesehenen Schicht(-en-)bildung und Schicht(-en-)eigenschaften bewirkt.

Insoweit die Rückseite mit Cu oder Cu/CuO oder einem anderen geeigneten Material beschichtet ist, kann es sich zur Erzielung einer homogenen Wärmeverteilung über die gesamten Rückseite als vorteilhaft erweisen, die gesamte Rückseite zu beschichten. Nicht ausgeschlossen ist jedoch, zu bestimmten Anwendungszwecken eine late­ ral partielle und/oder eine lateral unterschiedlich dicke Beschichtung der Rückseite des Substrats vorzuse­ hen (Anspruch 2).

Beispielsweise dann, wenn der Heizer als Wider­ standsheizsystem mäanderförmig ausgebildet ist, ist es denkbar, die rückseitige Beschichtung des Substrats zur Erzielung einer homogenen Wärmeverteilung daraufhin an­ zupassen.

Insofern das Substrat zur vorderseitigen Beschichtung von HTSL-Materialien oder anderen bei Anwesenheit von O₂ in der Atmosphäre der Depositionskammer abzuschei­ denden Materialien vorgesehen ist, kann ein zunächst nur mit rückseitiger Cu-Beschichtung versehenes Substrat in die Depositionskammer eingebracht und so­ dann in O₂ durch Erhöhung der Substrattemperatur bis auf die beabsichtigte Depositionstemperatur vor Anfang der Deposition im rückseitigen Oberflächenbereich oxi­ diert werden.

Claims (4)

1. Zur Beschichtung mit einem Hochtemperatur­ supraleitenden Material geeignetes keramisches Substrat mit Vorder- und Rückseite, welches auf seiner Rückseite eine Kupfer-Schicht und auf der dem Substrat abgewandten Seite der Kupfer­ schicht im Oberflächenbereich eine schwarze Kupfer­ oxid-Schicht aufweist.

2. Substrat nach Anspruch 1, mit einer auf den jeweili­ gen Anwendungszweck gerichteten, lateral partiellen oder lateral unterschiedlich dick ausgebildeten, rückseitigen Schicht.

3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dicke der Kupfer-Schicht im Bereich von 10 µm bis 150 µm liegt.

4. Substrat nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das keramische Substrat aus MgO, SrTiO₃, YSZ, LaAlO₃ oder Al₂O₃ besteht.