EP2964804A1

EP2964804A1 - Verfahren zum optimieren eines abscheidungsprozesses, verfahren zum einstellen einer depositionsanlage und depositionsanlage

Info

Publication number: EP2964804A1
Application number: EP14711149.6A
Authority: EP
Inventors: Michael Huth; Christian Schwalb; Marcel Winhold; Paul Martin WEIRICH
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Current assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2016-01-13
Also published as: US20160017496A1; KR20160030075A; DE102013004116A1; WO2014135283A1; JP2016516889A

Abstract

Ein Verfahren zum Optimieren eines Abscheidungsprozess zur Erstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke von weniger als 20nm mittels einer elektronenstrahl- oder ionenstrahlinduzierten Depositionsanlage umfasst als Schritt 1, das Auswählen wenigstens eines zu optimierenden abscheidungsspezifischen Einstellparameters, wie eines Elektronen- oder Ionenstrahlparameters, der Depositionsanlage, wobei gegebenen¬ falls wenigstens ein weiterer Einstellparameter der Depositionsanlage konstant gehalten wird; als Schritt 2, das Bestimmen mehrerer Parameterwerte des wenigstens einen Einstellparame¬ ters zum Definieren einer Parameterwertpopulation erster Generation; als Schritt 3, das Ab¬ scheiden einer Schicht für jeden Parameterwert der Parameterwertpopulation erster Generati¬ on mittels der Depositionsanlage; als Schritt 4, das Ermitteln eines elektrischen Kennwerts für jede Schicht jedes Parameterwerts der Parameterwertpopulation erster Generation; als Schritt 5, die Verwendung eines genetischen Algorithmus, der eine Optimierungsbeurteilung der er¬ mittelten elektrischen Kennwerte gegenüber einem vorbestimmten elektrischen Sollkennwert ausführt und anhand der Optimierungsbeurteilung eine weitere Parameterwertpopulation zweiter Generation bestimmt; und als Schritt 6, das Wiederholen der Schritte 3 bis 5 unter der Maßgabe der Verwendung der Parameterwerte der zweiten oder gegebenenfalls einer weite¬ ren Generation, bis der elektrische Sollkennwert erreicht ist oder der genetische Algorithmus für die als Letzte vorbestimmte Generation abgeschlossen ist.

Description

Verfahren zum Optimieren eines Abscheidungsprozesses, Verfahren zum Einstellen einer

Depositionsanlage und Depositionsanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren eines Abscheidungsprozesses, ein Verfahren zum Einstellen einer Depositionsanlage und eine Depositionsanlage. Der Abschei- dungsprozess erzeugt eine geschlossene, elektrisch leitfähige Schicht insbesondere mit einer Schichtdicke von 20 nm oder weniger, jedoch mindestens 5 nra. Insbesondere handelt es sich bei dem zu optimierenden Abscheidungsprozess um ein maskenloses „Bottom-Up"- Verfahren, wie fokussierte elektronen- oder ionenstrahlinduzierte Deposition zum Aufbau einer in einer, vorzugsweise zwei oder drei Raumrichtungen auf dem Substrat räumlich definierter Abscheidung oder Leiterstruktur.

Aus DE 10 2010 055 564 AI ist ein Abscheidungsprozess eines siliziumhaltigen Präkursors auf einem Substrat unter Verwendung eines fokussierten Elektronen- oder Ionenstrahls bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Präkursor durch den Teilchenstrahl in der Nähe des Substrats dissoziiert und dabei eine leitende Schicht gebildet.

Der Artikel„The transient electrical conductivity of W-based electron-beam-induced deposits during growth, Irradiation and exposure to air" von F. Porrati, R. Sachser and M. Huth, veröffentlicht in Nanotechnolgy am 20. April 2009, beschreibt mehrere Experimente, bei denen jeweils eine leitfähige Schicht aus einem Wolfram-Hexacarbonyl-Präkursor auf einem Siliziumsubstrat in einer Depositionsanlage abgeschieden wird. In jedem Experiment werden Einstellparameter der Depositionsanlage, wie die Verweilzeit des Elektronenstrahls im Hinblick auf ein Strahlbewegungsraster und die Rasterpositionswiederholrate, auf in einer Tabelle vorgegebene Parameterwerte eingestellt, eine leitfähige Schicht abgeschieden und die Entwicklung der elektrischen Leitfähigkeit während des Abscheidens und beim Belüften der Depositionsanlage beobachtet.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten komplexen Abscheidungsprozessen besteht der Nachteil, dass es sehr zeitaufwendig ist, geeignete Abscheidungsparameter zu finden, die eine leitfähige Schicht mit gewünschten elektrischen Qualitäten erzeugen. Auf Grund der Vielzahl von Einstellparametern einer Depositionsanlage ergibt sich eine Unmenge von möglichen Parameterkombinationen, deren experimentelle Untersuchung selbst bei Beschränkung auf erfahrungsgemäß zielführende Werte insbesondere bei der Verwendung neuer Präkursoren, Präkursorzusammensetzungen, Mischungen verschiedener Präkursorspezies oder Substrate mehrere Wochen oder Monate in Anspruch nimmt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere ein Verfahren zum Optimieren eines Abscheidungsprozesses, ein Verfahren zum Einstellen einer Depositionsanlage und eine Depositionsanlage bereitzustellen, mit denen möglichst schnell und mit geringem Versuchsaufwand im Hinblick auf eine gewünschte elektrische Qualität einer zu erzeugenden leitfähigen Schicht bestmögliche Einstellungen für die Depositionsanlage gefunden werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Verfahren und den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Optimieren eines Abscheidungsprozesses zur Erstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke von weniger als 20nm mittels einer elektronenstrahl- oder ionenstrahlindu- zierten Depositionsanlage:

Schritt 1 : Auswählen wenigstens eines zu optimierenden abscheidungsspezifischen Einstellparameters, wie eines Elektronen- oder lonenstrahlparameters, der Depositionsanlage, wobei gegebenenfalls wenigstens ein weiterer Einstellparameter der Depositionsanlage konstant gehalten wird;

Schritt 2: Bestimmen mehrerer Parameterwerte des wenigstens einen Einstellparameters zum Definieren einer Parameterwertpopulation erster Generation;

Schritt 3: Abscheiden einer Schicht für jeden Parameterwert der Parameterwertpopulation erster Generation mittels der Depositionsanlage; Schritt 4: Ermitteln eines elektrischen Kennwerts für jede Schicht jedes Parameterwerts der Parameterwertpopulation erster Generation;

Schritt 5: Verwendung eines genetischen Algorithmus, der eine Optimierungsbeurteilung der ermittelten elektrischen Kennwerte gegenüber einem vorbestimmten elektrischen Sollkennwert ausführt und anhand der Optimierungsbeurteilung eine weitere Parameterwertpopulation zweiter Generation bestimmt; und

Schritt 6: Wiederholen der Schritte 3 bis 5 unter der Maßgabe der Verwendung der Parameterwerte der zweiten oder gegebenenfalls einer weiteren Generation, bis der elektrische Sollkennwert erreicht ist oder der genetische Algorithmus für die als Letzte vorbestimmte Generation abgeschlossen ist. Insbesondere wird das Verfahren für wenigstens 10 Generationen durchgeführt.

Vorzugsweise wird der Abscheidungsprozess dahingehend optimiert, dass die elektrische Leitfähigkeit der erstellten leitfähigen Schicht maximal ist oder einer vorbestimmten Sollleitfähigkeit möglichst nahe kommt.

Vorzugsweise wird eine Schicht gemäß Schritt 3 mit Hilfe eines fokussierten Elektronenoder Ionenstrahls abgeschieden. Insbesondere weist der Elektronen- oder Ionenstrahl einen Fokusbereich mit einem Durchmesser von etwa 5nm oder weniger auf. Insbesondere wird der elektrische Kennwert jeder Schicht durch insbesondere direkte Messung der Schicht quantitativ bestimmt. Vorzugsweise erfolgt die Messung in-situ, d.h. die elektrisch leitfähige Schicht verbleibt während der Messung vorzugsweise positionsunverändert in der Depositionsanlage. Insbesondere bleiben während der Ermittlung des elektrischen Kennwerts die Prozessbedingungen, wie Temperatur und Druck, innerhalb der Depositionsanlage konstant.

Es zeigte sich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch aus großen Wertebereichen für Einstellparameter der Abscheidungsanlage unter Verringerung des Zeitaufwands auf wenige Stunden hinsichtlich einer gewünschten Schichtqualität optimierte Parameterwerte gefunden werden konnten. Außerdem sind mit der Erfindung auch Einflussfaktoren oder Kombinationen von Einflussfaktoren oder Einstellparameter für eine Optimierung des Abschei- dungsprozesses zugänglich, für die kein Erfahrungswert oder Modell zur Verfügung steht. Insbesondere wird beim Verwenden des genetischen Algorithmus zur Optimierungsbeurteilung der elektrischen Kennwerte einer jeweiligen Schicht eine Fitness proportional zum erreichten elektrischen Kennwert zugeordnet. Insbesondere wird dahingehend beurteilt, dass der elektrische Kennwert maximal wird. Die Fitness einer Schicht bestimmt sich dann als das Verhältnis des elektrischen Kennwerts der jeweiligen Schicht zur Summe der elektrischen Kennwerte aller Schichten derselben Population. Die Beurteilung der elektrischen Kennwerte von Schichten einer Parameterwertpopulation erfolgt nach einem bekannten Selektionsalgorithmus, wie fitnessproportionaler Selektion, rangbasierter Selektion, Wettkampfselektion, dem Rouletteprinzip oder dem sogenannten Stochastic Universal Sampling. Mit Hilfe der Beurteilung wird eine Gruppe von Parameterwerten bestimmt, die als Basis für die Bestimmung der Parameterwertpopulation weiterer Generation dienen. Die Gruppe umfasst die Parameterwerte höherer Fitness häufiger, insbesondere proportional häufiger bezüglich deren Fitness, als Parameterwerte niedriger Fitness.

Um eine zufällige, geringfügige Streuung um die ausgewählten Parameterwerte zu erhalten, werden diese gemäß einem Kreuzungsverfahren, wie One-Point-Cross-Over, N-Point-Cross- Over, Template-Cross-Over, Uniform-Cross-Over oder Shuffle-Cross-Over, kombiniert. Anschließend kann zur Vermeidung von Lokalmaxima mit einer vordefinierbaren Wahrscheinlichkeit wenigstens einer der Parameterwerte mutiert werden, wodurch im Vergleich mit der Kreuzung neue Parameterwerte eingeführt werden können, was ebenfalls eine stärkere Änderung der Parameterwerte ermöglicht. Als Ergebnis erhält man mehrere Parameterwerte einer Population weiterer Generationen. Vorzugsweise ist die Populationsgröße für alle Generationen während des gesamten Verfahrens gleich groß. Insbesondere werden die Parameterwerte für die erste Population innerhalb eines zulässigen Wertebereichs zufällig ausgewählt.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere zu optimierende anlagenspezifische Einstellparameter, insbesondere alle Einstellparameter ausgewählt. Insbesondere werden in einer Population der Größe N erster Generation N-verschiedene Kombinationen von Parameterwerten für die mehreren Einstellparameter bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in gleicher Weise angewandt, wobei bei der Optimierungsbeurteilung zu berücksichtigen ist, dass dem elektrischen Kennwert der jeweiligen Schicht eine Kombination von Parameterwerten zugeteilt ist, die gemäß dem genetischen Algorithmus zu Bestimmung der nächsten Generation von Parameterwertkombinationen verwendet wird. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine Einstellparameter aus einer Gruppe umfassend eine Beschleunigungsspannung des Elektronen- oder Ionenstrahls, einen Strom des Elektronen- oder Ionenstrahls, einen Defokus des Elektronen- oder Ionenstrahls, eine Rasterschrittweite eines Bewegungsrasters des Elektronen- oder Ionenstrahls, eine Rasterpositionsverweildauer, eine Rasterpositionswiederholrate, eine Temperatur eines Substrats, auf dem die Schichten abgeschieden werden, einen Präkursorgasstrom sowie eine chemische Zusammensetzung eines Präkursors, unter dessen Dissoziation die Schichten abgeschieden werden, ausgewählt.

Insbesondere ist das Bewegungsraster des Elektronen- oder Ionenstrahls serpentinenförmig, spiralförmig ausgehend von einer zentralen Stelle des Substrats oder intermittierend (z.B. großer Schritt nach vorne, kleiner Schritt zurück) bezüglich einer Substratebene angelegt. Vorzugweise liegt die Rasterpositionsverweildauer des Elektronen- oder Ionenstrahls zwischen 0,01 und 10 ms. Vorzugsweise liegt die Rasterschrittweite zwischen 1 nm und 1 μηι. Insbesondere ist die Schrittweite des Rasters in x-Richtung und senkrecht dazu in y-Richtung gleich. Vorzugsweise werden die Schrittweite des Rasters in x-Richtung und die Schrittweite des Rasters in y-Richtung als zu optimierende Einstellparameter ausgewählt und zeitgleich optimiert. Es zeigte sich, dass dadurch mit geringem Versuchsaufwand Parameterwerte gefunden werden, die sehr hohe Leitfähigkeitswerte bei den abgeschiedenen Strukturen erzeugen, da eine gegenseitige Beeinflussung durch Änderungen der Parameterwerte unmittelbar im Ergebnis berücksichtigt wird. Insbesondere ist die Rasterpositionswiederholrate durch die Zeitdauer zwischen einer ersten Bestrahlung einer Rasterposition und einer zweiten Bestrahlung einer Rasterposition während des Abscheidens einer Schicht festgelegt.

Die Beschleunigungsspannung liegt vorzugsweise in einem Bereich von lkV bis 100 kV. Der Strahlstrom liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 pA bis 10 μΑ.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung werden die parameterwertspezifischen Schichten einer jeweiligen Parameterwertpopulation und/oder die Generationen von Parameterwertpopulationen zueinander elektrisch parallelgeschaltet abgeschieden. Insbesondere werden die Schichten überschneidend auf einem Substrat abgeschieden, wodurch die elektrische Verbindung für die Parallelschaltung zwischen den Schichten gebildet wird. Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden die parameterwertspezifischen Schichten einer jeweiligen Parameterwertpopulation und/oder die Parameterwertpopulationen übereinander abgeschieden. Insbesondere wird durch das Abscheiden übereinander eine sandwichartige Mehrschichtstruktur gebildet, wobei insbesondere sich alle Schichten der Mehrschichtstruktur elektrisch kontaktieren. Durch das Übereinanderschichten können Experimente mit hoher Populationsgröße und hoher Generationsanzahl auf vergleichsweise wenig Substratfläche durchgeführt werden, und die Bedingungen in der Depositionsanlage möglichst lange konstant gehalten werden. ■

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird eine jeweilige Schicht zwischen zwei Messelektroden abgeschieden und/oder eine jeweilige Parameterwertpopulation oder parameterwertpo- pulationsspezifische Mehrschichtstruktur zwischen jeweils zwei generationsspezifischen Messelektroden abgeschieden. Insbesondere werden die Parameterwertpopulationen unterschiedlicher Generation elektrisch parallelgeschaltet und/oder nebeneinander abgeschieden werden. Es können auch mehrere Generationen übereinander und anschließend nebeneinander abgeschieden werden. Beispielsweise können, wenn eine maximale praktikable Anzahl von Abscheidungen übereinander erreicht ist, eine nächste Generation neben der bestehenden und alle folgenden Generationen wieder übereinander abgeschieden werden, um die Substratfläche voll auszunutzen oder ursprüngliche Messbedingungen zu erhalten.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der elektrische Kennwert die elektrische Leitfähigkeit, die zeitliche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit oder die elektrische Kapazität einer jeweiligen Schicht oder gegebenenfalls der als Parallelschaltung abgeschiedenen Schichten. Insbesondere wird die zeitliche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit zur Optimierungsbeurteilung durch den genetischen Algorithmus herangezogen. Durch die Verwendung der zeitlichen Veränderung oder Steigung der Leitfähigkeit lässt sich der Einstellprozess beschleunigen, da Parameterwerte, bei denen eine große Steigung in der Leitfähigkeit auftritt, schnell zu höheren elektrischen Leitfähigkeiten führen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird zum Ermitteln des elektrischen Kennwerts einer jeweiligen Schicht ein elektrischer Messwert durch eine Messvorrichtung erfasst und/oder ein Zeitverlauf eines elektrischen Messwerts der gegebenenfalls zueinander parallelgeschaltet abgeschiedenen Schichten durch die Messvorrichtung erfasst. Insbesondere kann, wenn kein Zeitverlauf des Messwerts erfasst wird, der elektrische Kennwert gegebenenfalls aus dem Unterschied zwischen dem Messwert einer vorangehenden Erfassung und dem Messwert der jeweiligen parallel geschaltet abgeschiedenen Schicht ermittelt werden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird vor dem Abscheiden einer ersten parameterspezifischen Schicht der Parameterwertpopulation erster Generation eine leitfähige Basisschicht, wie ein Seed-Layer, abgeschieden. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass bereits zu Beginn des Verfahrens eine ausreichende Leitfähigkeit zur Durchführung der Messung des elektrischen Kennwerts der ersten Schicht vorhanden ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zum Einstellen einer Depositionsanlage das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt angewandt, um einen optimierten Parameterwert für wenigstens einen Einstellparameter der Depositionsanlage zu finden und die Depositionsanlage gemäß dem gefundenen optimierten Parameterwert für den wenigstens einen Einstellparameter eingestellt.

Gemäß einem letzten Aspekt der Erfindung umfasst eine Depositionsanlage zum Abscheiden einer elektrisch leitfähigen Schicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke von weniger als 20nm ein Gasinjektionssystem zum Bereitstellen eines Präkursors, einen Elektronen- oder Ionenstrahl generator, eine Elektronik zum Auffinden wenigstens eines bezüglich eines elektrischen Sollkennwerts der leitfähigen Schicht optimierten Einstellparameters der Depositionsanlage, wobei die Elektronik wenigstens einen Stellausgang für den wenigstens einen Einstellparameter der Depositionsanlage aufweist, und eine mit der Elektronik verbundene Messvorrichtung zum Ermitteln eines elektrischen Kennwerts der Schicht, wobei die Elektronik derart zur Durchführung eines genetischen Algorithmus ausgelegt ist, dass mehrere Parameterwerte des wenigstens einen Einstellparameters zum Definieren einer Parameterwertpopulation erster Generation bestimmt werden; zum Abscheiden einer Schicht für jeden Parameterwert mittels der Depositionsanlage jeder Parameterwert der Parameterwertpopulation erster Generation am Stellausgang eingestellt wird und gegebenenfalls wenigstens ein weiterer Einstellparameter der Depositionsanlage konstant gehalten wird; ein elektrischen Kennwert für jede Schicht jedes Parameterwerts der Parameterwertpopulation erster Generation ermittelt wird; eine Optimierungsbeurteilung der ermittelten elektrischen Kennwerte gegenüber dem elektrischen Sollkennwert ausgeführt wird und anhand der Optimierungsbeurteilung eine weitere Parameterwertpopulation zweiter Generation bestimmt wird; sowie unter der Maßgabe der Verwendung der Parameterwerte der zweiten oder gegebenenfalls einer weiteren Genera- tion von neuen jeder Parameterwert der Parameterwertpopulation am Stellausgang eingestellt wird, bis der elektrische Sollkennwert erreicht ist oder der genetische Algorithmus für eine als Letzte vorbestimmte Generation abgeschlossen ist.

Vorzugsweise werden die Parameterwerte an dem wenigstens einen Stellausgang nacheinander eingestellt, wobei nach Abscheiden einer Schicht jeweils der wenigstens eine Stellausgang auf einen nächsten Parameterwert eingestellt wird.

Insbesondere ist die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.

Es zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu eingesetzt werden kann, sup- raleitfähige Schichten abzuscheiden. Überraschenderweise wurden mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter der Maßgabe, dass der elektrische Sollkennwert eine hohe spezifische Leitfähigkeit ist, dahingehend optimierte Parameterwerte erreicht, dass die abgeschiedenen Schichten eine hohe Sprungtemperatur zur Supraleitung aufweisen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abscheiden einer supraleitfähigen Schicht auf einem Substrat. Die abgeschiedene Schicht kann als supraleitende Nanostruktur verwendet werden. Bei dem Verfahren wird ein Präkursorgas verwendet, das supraleitfähiges Material enthält, das in die Gasphase gebracht wurde. Das Substrat wird dem Präkursorgas ausgesetzt und einem Elektronen- oder Ionenstrahl ausgesetzt, so dass unter Wechselwirkung des Präkursorgases mit dem Elektronen- oder Ionenstrahl das supraleitfähige Material auf dem Substrat abgeschieden wird.

Vorzugsweise wird eine maskenlose einstufige Direktschreibtechnik mittels eines Elektronenoder Ionenstrahls angewandt, bei der die Schichteigenschaften, wie Zusammensetzung, Strukturierung oder Dicke, durch Anpassen der Bewegungsparameter des Elektronen- oder Ionenstrahls eingestellt werden können, ohne dass der Schreib Vorgang unterbrochen werden müss- te. Insbesondere wird bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Prinzip der fokussierten elektronenstrahlinduzierten Deposition (focused electron beam induced de- position, FEBID) oder fokussierten ionenstrahlinduzierten Deposition (focused ion beam induced deposition, FIBID) vorgegangen. Dabei kann zur Bereitstellung des Präkursorgases, insbesondere eines metallorganischen Gases, supraleitfähiges Material durch Sublimation in die Gasphase verbracht werden. Unter supraleitfähig können Materialien verstanden werden, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten einer Sprungtemperatur auf null sinkt. Klar sei, dass das supraleitfähige Material nicht während allen Verfahrensschritten, insbesondere nicht während es als Bestandteil des Präkursorgases in seiner Gasphase vorliegt, supraleitfähig sein muss.

Das Substrat bildet einen Schichtträger, an dem beispielsweise ein Zugriff auf elektrische Anschlüsse der Schicht erfolgt. Das Substrat kann durch Ausbilden mehrerer Schichten unterschiedlicher Materialeigenschaften und unter der Verwendung und Kombination verschiedener Materialen, wie Metallen, Polymeren, Glas oder Halbleitermaterialien, gefertigt werden. Als Substrat kann beispielsweise ein insbesondere n-dotiertes, siliziumhaltiges Substrat verwendet werden. Insbesondere werden das Substrat und das Präkursorgas einem Unterdruck gegenüber Atmosphäre ausgesetzt. Vorzugsweise wird der Elektronen- oder Ionenstrahl z.B. mit einem Linsensystem fokussiert und gemäß einem insbesondere in wenigstens zwei Dimensionen angelegtem Raster über das Substrat bewegt. An der Oberfläche des Substrats wird aus dem Präkursorgas adsorbiertes supraleitfähiges Material unter dem Einfluss des insbesondere fokussierten Elektronen- oder Ionenstrahls dissoziiert, wodurch sich supraleitfähiges Material auf dem Substrat anlegt.

Vorzugsweise wird bei der Durchführung des Verfahrens ein Gallium-Ionenstrahl verwendet, wobei ein Strahlstrom auf weniger als 100 pA, insbesondere weniger als 50 pA, vorzugsweise zwischen 5 und 20 pA, und/oder eine Beschleunigungsspannung auf zwischen etwa 1 kV und 60 kV, insbesondere zwischen 20 und 40 kV eingestellt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist das supraleitfähige Material metallisch, insbesondere ein Übergangsmetall, wie Molybdän. Vorzugsweise wird als Präkursorgas Molybdänhexacar- bonyl(Mo(CO)₆) verwendet.

Vorzugsweise kann bei dem Verfahren wenigstens ein Verfahrensparameter, wie ein Elektronen- oder Ionenstrahlparameter, insbesondere die Rasterpositionsverweildauer und/oder die Rasterschrittweite in wenigstens einer Bewegungsrichtung des Elektronen- oder Ionenstrahls, gemäß dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Optimieren eines Abschei- dungsprozesses optimiert werden. Insbesondere wird der Optimierungszyklus vor Durchführung des Abscheidungsverfahrens durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ohne großen Aufwand eine Vielzahl von Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Kennwerten auf einem Schichtträger abzuscheiden. Dabei lassen sich durch Variation des Materials, das die nicht flüchtigen, sich anlagernder Anteile des Präkursorgases bildet, oder durch die Änderung anderer Verfahrensparameter, wie Substrattemperatur, Präkursorgasfluss, Strahlparameter, elektrischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht einstellen. Überraschenderweise erzeugt das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung eines supraleitfähigen Materials für das Präkursorgas eine supraleitfähige Schicht auf dem Substrat, deren Sprungtemperatur erheblich höher liegt als die Sprungtemperatur des supraleitfähigen Materials an sich. Insbesondere konnten besonders hohe Sprungtemperaturzuwächse erreicht werden, sofern wenigstens ein Verfahrensparameter, insbesondere die Rasterschrittweite und die Rasterverweildauer, mit dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren vorab ermittelt wurden. Es zeigte sich, dass bei Vorgabe einer hohen spezifischen elektrischen Leitfähigkeit als Beurteilungskriterium überraschenderweise auch hohe elektronische Zustandsdichten des abgeschiedenen Materials erreicht werden können, woraus die erhöhte Sprungtemperatur der abgeschiedenen Schicht resultiert.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrisch leitfähige, vorzugsweise supraleitfähige, Schicht, die durch fokussierte Elektronen- oder Ionenstrahl induzierte Deposition unter Anwendung des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens oder des erfindungsgemäßen Ab- scheidungsverfahrens herstellbar ist. Die Anwendung der Optimierungsschritte während des Abscheidungsprozesses, wird insbesondere unter der Vorgabe einer maximalen elektrischen Leitfähigkeit der Schicht als Beurteilungskriterium, die chemische Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht eingestellt. Unerwartet zeigten die sich unter Optimierung der Einstellparameter, insbesondere der Rasterverweildauer sowie der Rasterschrittweite, resultierenden Schichten hohe Sprungtemperaturen zur Supraleitfähigkeit. Zudem lässt sich eine erfindungsgemäße leitfähige, insbesondere supraleitfähige Schicht durch Einsatz des Abschei- dungsverfahrens durch das vorbeschriebene erfindungsgemäße Abscheidungsverfahrens herstellen. Dabei wird ein Präkursorgases, das ein supraleitfähiges Material umfasst, das in die Gasphase gebracht wurde, mit einem Elektronen- oder Ionenstrahl, insbesondere einem Galliumionenstrahl, angeregt. Die Verfahrensparameter werden so eingestellt, dass sich erfahrungsgemäß eine hohe elektrische Leitfähigkeit oder elektrische Zustandsdichte der abgeschiedenen Schicht ergibt. Vorzugsweise werden die Einstellparameter mit Hilfe des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens eingestellt. Bei einer bevorzugten Ausführung weist die elektrisch leitfähige Schicht Kohlenstoff und Gallium mit einem Summen-Atomprozentanteil von etwa 60 at% oder weniger, insbesondere etwa 55 at% oder weniger, vorzugsweise etwa 52 at% oder weniger, auf. Insbesondere ist der Kohlenstoffanteil größer 15 at% und der Galliumanteil kleiner 35 at%. Insbesondere sind der Kohlenstoffanteil und der Galliumanteil im Wesentlichen gleich groß. Insbesondere weist die Schicht einen metallischen Anteil, insbesondere einen Übergangsmetallanteil, wie einen Molybdänanteil, von wenigstens 30 at%, insbesondere wenigstens 35 at%, vorzugsweise wenigstens 40 at%, auf. Insbesondere weist die Schicht eine Sauerstoffanteil von weniger als 20 at%, insbesondere weniger als 15 at%, vorzugsweise weniger als 10 at% auf.

Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Abscheidungsprozesses;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Depositionsanlage gemäß der Erfindung;

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Bewegungsraster des Elektronen- oder Ionenstrahls in der Depositionsanlage gemäß der Erfindung und eine Skizze eines Bestrahlungsdiagramms für eine Position des Rasters;

Figur 4 eine schematische Darstellung einer Abscheidung mehrerer leitfähiger

Schichten auf einem Substrat nach Ausführung des Verfahrens oder Betrieb der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Figur 5 ein Leitfähigkeits-Zeitdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der

Erfindung, das die Änderung eines Einstellungsparameters gemäß der Erfindung veranschaulicht; ein Leitfähigkeits-Zeitdiagramm, das den Leitfähigkeitsverlauf für drei

Abscheidungsprozesse darstellt; ein Diagramm zur Veranschaulichung unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen von Abscheidungen unter Anwendung des optimierten Abscheidungsprozesses und nicht optimierten Abscheidungs- prozesses; ein Diagramm, dass beispielhaft die Abhängigkeit eines elektrischen Kennwerts einer Abscheidung von einem gemäß der Erfindung zu optimierenden Einstellparameter zeigt; ein Diagramm, das beispielhaft die Supraleitfähigkeit für gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bei unterschiedlichen Verfahrensparame- tern hergestellte supraleitfähige Schichten darstellt;

Figur 10 ein Diagramm, das beispielhaft die Sprungtemperatur in Abhängigkeit des Gallium und Kohlenstoffanteils für gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bei unterschiedlichen Verfahrensparametern hergestellte supraleitfähige Schichten zeigt; und eine Tabelle, die die chemische Zusammensetzung sowie die Verfahrensparameter Rasterverweilzeit und Pitch für sechs erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Schichten darstellt.

In Figur 1 ist beispielhaft für eine Ausführung der Erfindung schematisch der zu optimierende Abscheidungsprozess in einer Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskops (nicht näher dargestellt) gezeigt, bei dem ein Substrat 3 bereitgestellt ist, das beispielsweise aus Silizium, einem anderen Halbleiter, einem Metall, Polymer oder Isolator besteht. Mittels eines Gasinjektionssystems 5 wird ein metallorganisches Gas, wie Wolfram-Hexacarbonyl, als Präkursor 12 in die Vakuumkammer eingeleitet. Ein fokussierter Elektronenstrahl 14 trifft auf einen begrenzten Bereich des Substrats 3. Innerhalb des Fokus des Elektronenstrahls wird der Präkursor 12 dissoziiert. Bei der Dissoziation bilden nicht flüchtige Bestandteile 16 des Prä- kursors eine elektrisch leitfähige Abscheidung 10 auf dem Substrat 3. Flüchtige Abfallstoffe des Dissoziationsprozesses werden über ein nicht näher dargestelltes Vakuumpumpsystem des Rasterelektronenmikroskops aus der Vakuumkammer abgesaugt. Um eine räumlich definierte, geschlossene, elektrisch leitfähige Schicht auf dem Substrat 3 aufzubauen, wird der Elektronenstrahl 14 entlang eines vorbestimmten Rasters über das Substrat 3 bewegt. Auch in Bereichen, in denen bereits nicht flüchtige Bestandteile 16 auf dem Substrat 3 abgeschieden wurden, werden im Fokus des Elektronenstrahls 14 weiter nicht flüchtige Bestandteile 16 abgeschiedenen und insbesondere in Höhenrichtung angelagert.

Anstelle des Elektronenstrahls 14 kann auch ein fokussierter Ionenstrahl, wie ein Gallium-, Helium- oder Neon-Ionenstrahl verwendet werden, um die Dissoziation des Präkursors 12 nach ähnlichen Prinzipien auszulösen.

Die elektrischen Eigenschaften der leitfähigen Schicht auf dem Substrat sind durch verschiedene für den Abscheidungsprozess spezifische Einstellparameter beeinflussbar. Einige dieser Parameter sind Elektronen- oder Ionenstrahlparameter, wie die Beschleunigungsspannung, mit der die Elektronen oder Ionen zu einem Strahl geformt werden, der zur Strahlbildung bereitstehende Strahlstrom, die Rasterschrittweite des Strahl in x- und y- Richtung, die Rasterpositionsverweildauer, die auch Dwell-Zeit tj genannt wird, und die Rasterwiederholrate, sofern das Raster bei Abscheiden einer Schicht mehrfach durchlaufen wird. Außerdem ist der Abscheidungsprozess durch die chemische Zusammensetzung des Präkursors, den Präkursorgasstrom und/oder die Temperatur des Substrats veränderbar.

Wie in Figur 2 gezeigt ist, ist bei der Ausführung der Erfindung eine Depositionsanlage 20 vorgesehen, die das Rasterelektronenmikroskop 1, eine Messvorrichtung 24 sowie eine Elektronik 22 umfasst. Die Elektronik 22 wird zunächst dahingehend konfiguriert, welcher Einstellparameter optimiert werden soll. Das Optimierungsziel, z.B. eine maximale Leitfähigkeit der erstellten Schicht zu erreichen wird ebenfalls eingestellt. Insbesondere wird das Optimierungsziel in Form einer Beurteilungskriteriums, der sogenannten Fitness-Funktion für den genetischen Algorithmus in der Elektronik abgelegt. Überraschenderweise zeigte sich, dass bei einem bestimmten Einstellparameter, nämlich der Rasterpositionsverweilzeit oder Dwell- Zeit t_d, mittels des genetischen Algorithmus besonders hohe Leitfähigkeitssteigerungen erreicht werden können. Bei gleichzeitiger Optimierung mehrerer Einstellparameter der Anlage ist der Versuchsaufwand, um Einstellungen für gewünschte elektrische Eigenschaften zu fin- den, im Wesentlichen proportional zur Anzahl der zu optimierenden Einstellparameter reduziert, da auf sequentielles testen verzichtet werden kann.

Die Messvorrichtung 24 ist insbesondere ein Sourcemeter und wird mit der im Rasterelektronenmikroskop angeordneten Probe 21 elektrisch verbunden, so dass eine Messspannung auf die Probe aufgebracht werden kann. Die Messvorrichtung 24 erfasst einen Messstrom zur vorgegebenen Messspannung, so dass sich der elektrischer Widerstand und die elektrische Leitfähigkeit der auf der Probe abgeschiedenen Schichten ermitteln lässt. Zum Schutz der abgeschiedenen Schichten ist zwischen Messvorrichtung 24 und Probe 21 eine Kurzschluss- und/oder Erdungsbox 26 angeschlossen. Die von der Messvorrichtung 24 vorgegebenen Spannungswerte und die erfassten Stromwerte werden über die Kommunikationsleitung 27 zur Speicherung und Weiterverarbeitung an die Elektronik übermittelt. Natürlich kann die Messvorrichtung zur Erfassung anderer Bewertungskriterien, wie der Kapazität der Probe, ausgelegt sein. Die Elektronik 22 kann die Häufigkeit oder den Zeitpunkt der Erfassung von elektrischen Kennwerten durch die Messvorrichtung über eine Kommunikationsleitung 29 einstellen.

Wie in Figur 3 veranschaulicht ist, wird beim Abscheiden der Elektronenstrahl 14 entlang eines Rasters 30 auf einem serpentinenartigen Strahlpfad 31 über das Substrat 3 geführt. An jeder Rasterposition verweilt der Elektronenstrahl 14 die für alle Rasterpunkte gleich eingestellte Dwell-Zeit t_d. Um eine leitfähige Schicht abzuscheiden, wird der Elektronenstrahl 14 wiederholt entlang des gleichen Strahlpfads 32 über die gleichen Positionen des Substrats bewegt. Die jeweiligen Punkte des Rasters 30 sind paarweise jeweils in einem Abstand P zueinander, dem sogenannten Pitch angeordnet. Auf der linken Seite ist skizziert, dass während der Strahlverweildauer t_d an einem jeweiligen Rasterpunkt eine hohe Elektronenstrahlintensi- tät F auftritt, wobei vorher und nachher die Elektronenstrahlintensität im Wesentlichen Null beträgt, was auf die Fokussierung des Elektronenstrahls zurückzuführen ist und erlaubt, die räumliche Ausdehnung der Schichten besonders präzise im Nanometerbereich festzulegen.

Im Folgenden wird das Optimieren des Abscheidungsprozesses gemäß der Erfindung anhand eines Beispiels erläutert. Zunächst wird ein Substrat 3 bei einer bestimmten Temperatur bereitgestellt, die ebenfalls das Abscheidungsergebnis beeinflusst. Dazu umfasst die Depositi- onsanlage eine nicht näher dargestellte Temperaturregelung. Die Substrattemperatur kann selbst ein zu optimierender Einstellparameter sein. Wie in Figur 4 dargestellt ist, umfasst das Substrat 3 zwei Messelektroden 42, insbesondere Goldelektroden, die mit der Messvorrichtung 24 verbunden sind. Um eine Anfangsleitfähigkeit zwischen dem Messelektroden 42 herzustellen, wird zunächst eine Basisschicht 41 , der sogenannte Seed-Layer, auf dem Substrat 3 abgeschieden.

Anschließend wird die Elektronik 22 so konfiguriert, das der zu optimierende Einstellparameter die Dwell-Zeit td ist. Als Optimierungsziel wird eine maximale elektrische Leitfähigkeit der Schicht vorgegeben. Abgebrochen soll das Verfahren werden, wenn die elektrische Leitfähigkeit σ wenigstens 2 mS erreicht oder der genetische Algorithmus für die dreißigste Generationen von Parameterwertpopulationen abgeschlossen ist. Alle weiteren Einstellparameter werden auf erfahrungsgemäß zielführende Werte konstant eingestellt. Mit dem Verfahren lassen sich jedoch ohne weiteres mehrere Einstellparameter gleichzeitig optimieren.

Die Elektronik 22 bestimmt zu Beginn der Optimierung eine Anzahl n von Parameterwerten tdi ¹ , td₂' , tdn¹ für die zu optimierende Dwell-Zeit und definiert somit eine Parameterwertpopulation erster Generation für den genetischen Algorithmus. Die Anzahl n entspricht der Populationsgröße und ist vorkonfigurierbar. Die Parameterwerte td , td₂ td_n' können zufällig oder mit erfahrungsgemäß sinnvollen Werte aus einem Speicher der Elektronik 22 belegt werden.

Die Elektronik 22 stellt über den Stellausgang 28 an der Depositionsanlage 20 die Dwell-Zeit auf den ersten Parameterwert t^i ¹ der Population erster Generation ein. Die Depositionsanlage scheidet eine erste parameterwertspezifische Schicht ab. Nach dem Abscheiden der ersten Schicht, was der Elektronik über ein Statussignal der Depositionsanlage mitgeteilt werden kann, stellt die Elektronik 22 den Einstellparameter auf den folgenden Parameterwert td₂' der Population erster Generation ein und die Depositionsanlage scheidet eine zweite parameterwertspezifische Schicht ab. Dieser Vorgang wiederholt sich für alle Parameterwerte der Population erster Generation. Die Elektronik 22 ermittelt mit Hilfe eines von der Messeinrichtung 24 dauerhaft während des Abscheidens und/oder zu definierten Zeitpunkten nach dem Abscheiden erfassten Messstroms, die elektrische Leitfähigkeit σ σ₂', ..., σ,,¹ der jeweiligen Schicht. Die Elektronik berechnet daraus die Steigung der Änderungsrate σ' Ί ¹ , σ' Ίι¹ der elektrischen Leitfähigkeit. Anschließend werden durch die Elektronik 22 gemäß einem genetischen Algorithmus die Parameterwerte td i ¹, td₂' , tdn' anhand der jeweiligen Steigung der Änderungsrate σ'Ί ¹, σ"₂ ^ι, ..., σ", der elektrischen Leitfähigkeit der zugehörigen Schichten unter Berücksichtigung des Optimierungsziels, maximale elektrische Leitfähigkeit, beurteilt, insbesondere diejenigen Parameterwerte, die zu Schichten hoher Leitfähigkeit geführt haben, z.B. tdi ¹ , td₂' und td₃ ' nach einem Selektionsschema ausgewählt, nach einem Rekombinationsschema zu weiteren Parameterwerten i*2^l , tdi^ ¹, td₂*₃' , t_d2*i ¹ variiert und mutiert und aus diesen Parameter-

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werte tdi , td₂ , tdn einer Parameterwertpopulation zweiter Generation bestimmt. Daraufhin stellt die Elektronik 22 über den Stellausgang 28 an der Depositionsanlage 20 die Dwell- Zeit auf den ersten Parameterwert tdi der Population zweiter Generation ein und die Depositionsanlage scheidet eine erste parameterwertspezifische Schicht der zweiten Generation ab. Es schließt sich eine Messphase an und der Vorgang wiederholt sich für alle Parameterwerte zweiter Generation, bis die Elektronik 22 erneut gemäß dem genetischen Algorithmus die

^** 2 2 2

Parameterwerte anhand der jeweiligen Steigungen der Anderungsraten σ'Ί , σ"₂ , ..., σ"„ der ermittelten Leitfähigkeiten der Schichten zweiter Generation beurteilt und eine Parameterwertpopulation nächster Generation bestimmt. Die Elektronik 22 deaktiviert die Depositionsanlage sobald die elektrische Sollleitfähigkeit erreicht ist oder die Beurteilung der dreißigsten Generation abgeschlossen ist.

Schematisch ist in Figur 4 für eine Populationsgröße von vier eine Leitstruktur dargestellt, bei der die Schichten übereinanderliegend abgeschieden wurden. Auf dem Substrat sind über dem Seed-Layer oder Basisschicht 41 übereinander vier Schichten 43, 45, 47, 49 abgeschieden. Nach Ausführung der genetischen Selektion und Bestimmung weiterer vier Parameterwerte wurden sequentiell vier Abscheidungsschichten 44, 46, 48, 50 über den bereits bestehenden Schichten abgeschieden. Weitere Schichten, die durch Fortführung des Verfahrens entstehen sind nur noch angedeutet.

In Figur 5 sind beispielhaft eine Leitfähigkeitskurve einer Abscheidung beim Betrieb der Depositionsanlage oder Anwendung des Optimierungsverfahrens gemäß der Erfindung und eine Leitfähigkeitskurve gemäß einem herkömmlichen Abscheidungsprozesses dargestellt. Die Leitfähigkeitskurve 51 ergibt sich beim Betrieb einer herkömmlichen Depositionsanlage mit basierend auf Erfahrungswerten konstanten Einstellparametern. Im dargestellten Zeitverlauf werden nach und nach immer weitere Schichten auf dem Substrat übereinander gelegt, um eine Leiterstruktur aufzubauen. Bei dem Betrieb der Abscheidungsanlage mit konstant einge- stellten Parametern ergibt sich im Wesentlichen ein mit der Anzahl der Schichten linear verlaufender Leitfähigkeitsanstieg. Wie in dem vergrößerten Bildausschnitt dargestellt ist, ergibt sich im Detail eine Sägezahnform des Leitfähigkeitsverlaufs. Die jeweiligen geringfügigen Abfälle der Leitfähigkeit entstehen während kurzen Abscheidungspausen zwischen dem Aufbringen der einzelnen Abscheidungsschichten. Die Leitfähigkeitskurve 55 wurde durch beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht, bei der die Dwell-Zeit in einem Wertebereich von 0,2 μ5 bis 1500 μ5 bei sonst konstanten Parametern variiert wurde. Die dritte Leitfähigkeitskurve 53 wird gemäß der Erfindung erreicht, wenn der genetische Algorithmus im umgekehrten Sinn, d.h. zum Ermitteln von Parameterwerten zur Erzeugung von Schichten möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet wird. In diesem Fall wurden gleichzeitig drei Einstellparameter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren variiert, die Dwell-Zeit, in einem Wertebereich von 0,2 μ5 bis 1500 μ$ sowie der Rasterpunktabstand in x-Raumrichtung in einem Wertebereich von 35 nm bis 200 nm und der Rasterpunktabstand in einer zweiten zur ersten Raumrichtung senkrechten y-Raumrichtung zwischen 30 nm und 200 nm. Die übrigen Parameter sind bei allen drei dargestellten Leitfähigkeitsverläufen konstant, nämlich Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls 5 kV und Strahlstrom 1,6 nA, Substrattemperatur 23 °C sowie Gasstrom des Präkursors. In Figur 6 sind drei Leitfähigkeitskurven 61 , 63, 65 während der Deposition dargestellt, wenn gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstellen einer Depositionsanlage vorgegangen wird. Die Kurve 61 wurde während der Abscheidung eines Deponats unter Verwendung erfahrungsbasierter Standardeinstellungen für die Einflussfaktoren Dwell-Zeit t_d und Rasterabstand p aufgezeichnet. Die Kurve 61 dient als Referenz zum Vergleich mit den Leitfähigkeitsverläufen, die mit Betriebsgrößen erzielt werden, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens gefunden wurden. Für die Kurve 61 werden die Standardwerte t_d - 100 μβ und p = 40 nm herangezogen. Unter Anwendung der Erfindung wurde für eine spezifische Depositionsanlage ermittelt, dass ein besonders hoher Leitfähigkeitszuwachs zu erreichen ist, wenn die Dwell-Zeit auf 0,3 μ8 eingestellt wird und der Rasterabstand auf 40 nm, was durch die Kurve 63 repräsentiert ist. Gemäß Figur 6 wird durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine fünfmal höhere Leitfähigkeit des Deponats erzielt, als bei der Referenzkurve 61. Die weiteren anlagenspezifischen Einflussfaktoren sind bezüglich der in Figur 6 darstellten Kurven 61, 63, 65 konstant. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es außerdem Parameterwerte zu finden, mit denen sich die Leitfähigkeit des Deponats besonders niedrig einstellen lässt. Dies ist durch die Kurve 65 repräsentiert, welche mit einer Dwell-Zeit von 837 μ8 einem Rasterabstand in einer ersten Rasterrichtung von 35 nm und einem Rasterabstand in der zweiten senkrecht zur ersten Rasterrichtung stehenden Rasterrichtung von 150 nm erreicht wird. Um eine niedrige Leitfähigkeit zu erreichen, werden bei dem Optimierungsprozess mithilfe des genetischen Algorithmus vorzugsweise Parameterwerte an die nächste Generation weitervererbt, die während des Abscheidungsprozesses einer Schicht zu einer möglichst geringen Steigung der Änderungsrate der Leitfähigkeit führen. Der Figur 6 zu entnehmende hohe Zuwachs ergibt sich aus der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung der Abscheidungen, insbesondere dem gemäß Kurve 63 gegenüber Kurve 65 um 15% Prozent erhöhten Metallgehalt und/oder unterschiedlicher Mikro- und/oder Nanostruktur der Schichten, die durch Dwell-Zeit und Pitch beeinflussbar sind.

In Figur 7 ist die atomare prozentuale Zusammensetzung von vier verschiedenen Deponaten (durch Messpunkte gekennzeichnet) in Abhängigkeit von der Dwell-Zeit t_d dargestellt, wobei die gestrichelte Kurve den Sauerstoffanteil 71 , die mit Punkten markierte, durchgezogene Linie den Wolframanteil 73 und die mit Rauten gekennzeichnete durchgezogene Kurve den Kohlenstoffanteil 75 zeigen. An den Kurvenverläufen lässt sich ablesen, dass mit kürzerer Dwell-Zeit der Wolframgehalt bis auf 40 Atomprozent ansteigt. Der gestiegene Metallgehalt bei kurzen Dwell-Zeiten unterstützt die beobachtete Leitfähigkeitssteigerung.

In Figur 8 ist der spezifische Widerstand für Deponate mit bestimmten Dwell-Zeiten dargestellt. Während bei geringen Dwell-Zeiten, wie durch die Messpunkte 81, 83 dargestellt sind, ein geringer spezifischer Widerstand des Deponats erreicht wird, steigt dieser mit der Dwell- Zeit gemäß Messpunkt 85 an, um bei der Dwell-Zeit, die gemäß dem genetischen Algorithmus den geringsten Leitfähigkeitszuwachs erreicht, am Messpunkt 87, maximal zu werden. Bei einer Dwell-Zeit von 837 und dem Rasterabstand in x-Richtung von 35 nm und einem Rasterabstand in y-Richtung von 150 nm wird der spezifische Widerstand maximal. Bei einem in x- und y-Richtung gleichen Rasterabstand von 40 nm kann bei einer hohen Dwell-Zeit ein vergleichsweise niedriger spezifischer Widerstand, wie Messpunkt 89 zeigt, erreicht werden. Erfindungsgemäß lässt sich der spezifische Widerstand der abgeschiedenen Schichten bei der Verwendung des Präkursors Wolfram-Hexacarbonyl durch Optimierung der Einstellparameter Dwell-Zeit und Pitch um Größenordnungen erhöhen.

Gemäß der Erfindung lassen sich in erheblich geringerer Zeit als bisher die Einstellungsparameter einer Depositionsanlage optimieren, so dass ein elektrischer Leitwert in der Anlage zu erzeugenden Deponats gewünschte Werte erreicht. Durch die Anwendung eines genetischen Algorithmus mit direktem experimentellen Feedback durch in-situ Messung lässt sich auch eine Vielzahl von Parametern, deren Abhängigkeiten mittels eines Simulationsmodells nicht zugänglich sind, auf optimierte Parameterwerte einstellen, die zum gewünschten Deponat führen.

In Figur 9 ist der elektrische Widerstand R sechs verschiedener supraleitfähiger Schichten, über der Temperatur aufgetragen. Eine jeweilige aufgetragene Messkurve 91, 92, 93, 94, 95, 96 zeigt den Widerstand einer jeweiligen Schicht, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden wurde. Als Präkursorgas wurde für alle Beispiele Molybdän-Hexacarbonyl Mo(CO)₆ verwendet. Allerdings kann das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere unter zusätzlicher Anwendung des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens, auch bei Verwendung anderer Präkursorgase supraleitfähige Schichten erzeugen, die eine höhere Sprungtemperatur als das als Präkursorgas vorliegende Abschei- dungsmaterial. Während die Sprungtemperatur für Molybdän an sich bei etwa 0,92 Kelvin liegt, erreichen die erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichten Sprungtemperaturen zwischen 2,7 und 3,8 K. Die höchste Sprungtemperatur weist die Schicht der Kurve 96 auf. Die Parameterwerte, die für die Einstellparameter Dwell-Zeit (To) sowie Pitch in X- und Y- Richtung bei der Abscheidung dieser Schicht verwendet wurden, wurden vorab mittels des vorbeschriebenen Verfahrens zur Optimierung des Abscheidungsprozesses optimiert. Als Beurteilungskriterium oder elektrischer Sollkennwert wurde eine maximale elektrische Leitfähigkeit vorgegeben.

In Figur 10 ist die Sprungtemperatur für dieselben Schichten, deren Widerstandkurven in Figur 9 dargestellt sind, in Zusammenhang mit dem jeweiligen Summenanteil von Kohlenstoff (C) und Gallium (Ga) der abgeschiedenen Schicht gesetzt. Die Messpunkte 9 , 92', 93', 94', 95', 96' geben den Summenanteil der Schicht an, welche der jeweiligen Messkurve 91, 92, 93, 94, 95, 96 zuzuordnen ist. Wie an Hand der strichlierten Trendlinie zu erkennen ist, steigt die Sprungtemperatur mit sinkendem Summen- Atomprozentanteil von Kohlenstoff und Gallium. Es zeigte sich überraschenderweise, dass mit Hilfe des Optimierungsverfahrens die Parameterwerte von Einstellparametern des Abscheidungsprozesses unter dem Beurteilungskriterium der maximalen elektrischen Leitfähigkeit derart optimiert werden, dass die sich ergebende elektrisch leitfähige Schicht eine deutlich höhere Sprungtemperatur zur Supraleitung aufweist, als mit anderen Verfahren und/oder mit nicht optimierten Parametern abgeschiedene Schichten. Figur 11 zeigt eine Tabelle, in der für die Schichten gemäß den Figuren 9 und 10 die veränderten Verfahrensparameter, die Sprungtemperatur sowie die chemische Zusammensetzung aufgestellt sind. Andere Verfahrensparameter als die dargestellten wurden konstant gehalten. Messkurve 91 und Messpunkt 91 ' entsprechen Schicht 101 , Messkurve 92 und Messpunkt 92' entsprechen Schicht 102, und so weiter. Die Schicht 106, welche die höchste Sprungtemperatur von 3,8 Kelvin aufweist, hat im Wesentlichen gleich große Atomprozentanteile von Kohlenstoff und Gallium, nämlich etwa 26 at%, insbesondere einen Kohlenstoffanteil von 25,7 at% und einen Galliumanteil vom 26,1 at%. Der Molybdänanteil beträgt über 41 at%, insbesondere 41,5 at%. Die Einstellparameter Rasterverweilzeit t_d, und Rasterweite in x- und y- Richtung wurden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung des genetischen Algorithmus ermittelt. Wie sich erkennen lässt, beeinflussen Veränderungen der Einstellparameter des Abscheidungsprozesses bei Durchführung des beschriebenen Optimierungsverfahrens oder des Abscheidungsverfahrens die chemische Zusammensetzung der elektrischen leitfähigen Schicht und die Sprungtemperatur zu Supraleitfähigkeit. Alle mittels des erfindungsgemäßen Abscheidungsverfahrens erzeugten Schichten 101 , 102, 103, 104, 105, 106 weisen eine Sprungtemperatur von wenigstens 2,7 Kelvin auf. Die höchste Sprungtemperatur von 3,8 Kelvin erreicht die Schicht 106, die mit dem erfindungsgemäßen Optimie- rungsverfahren abgeschieden wurde.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Bezugszeichenliste

3 Substrat

5 Gasinjektionssystem

10 Abscheidung

12 Präkursor

14 Elektronenstrahl

16 nicht flüchtige Bestandteile des Präkursors

20 Depositionsanlage

21 Probe

22 Elektronik

24 Messvorrichtung

26 Erdungsbox

27, 29 Kommunikationsleitung

28 Stellausgang

30 Bewegungsraster

31 Strahlpfad

41 Basisschicht

42 Messelektroden

43, 45, 47, 49 parameterwertspezifische Schichten erster Generation

44, 46, 48, 50 parameterwertspezifische Schichten zweiter Generation 51, 53, 55, 61, 63, 65 Leitfähigkeitskurven

71 Sauerstoffanteil

73 Wolframanteil

75 Kohlenstoffanteil

81 , 83, 85 ,87, 89, 91 ' Messpunkte

92', 93', 94', 95', 96' Messpunkte

91 , 92, 93, 94, 95, 96 Messkurven

101, 102, 103 Schichten

104, 105, 106 Schichten

p Rasterschrittweite

t_d Dwell-Zeit

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Optimieren eines Abscheidungsprozesses zur Erstellung einer elektrisch leitfahigen Schicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke von weniger als 20nm mittels einer elektronenstrahl- oder ionenstrahlinduzierten Depositionsanlage, umfassend:

- Schritt 1 : Auswählen wenigstens eines zu optimierenden abscheidungsspezifischen Einstellparameters, wie eines Elektronen- oder Ionenstrahlparameters, der Depositionsanlage, wobei gegebenenfalls wenigstens ein weiterer Einstellparameter der Depositionsanlage konstant gehalten wird;

- Schritt 2: Bestimmen mehrerer Parameterwerte des wenigstens einen Einstellparameters zum Definieren einer Parameterwertpopulation erster Generation;

- Schritt 3: Abscheiden einer Schicht für jeden Parameterwert der Parameterwertpopulation erster Generation mittels der Depositionsanlage;

- Schritt 4: Ermitteln eines elektrischen Kennwerts für jede Schicht jedes Parameterwerts der Parameterwertpopulation erster Generation;

- Schritt 5: Verwendung eines genetischen Algorithmus, der eine Optimierungsbeurteilung der ermittelten elektrischen Kennwerte gegenüber einem vorbestimmten elektrischen Sollkennwert ausführt und anhand der Optimierungsbeurteilung eine weitere Parameterwertpopulation zweiter Generation bestimmt; und

- Schritt 6: Wiederholen der Schritte 3 bis 5 unter der Maßgabe der Verwendung der Parameterwerte der zweiten oder gegebenenfalls einer weiteren Generation, bis der elektrische Sollkennwert erreicht ist oder der genetische Algorithmus für die als Letzte vorbestimmte Generation abgeschlossen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine Einstellparameter aus einer Gruppe umfassend eine Beschleunigungsspannung des Elektronen- oder Ionenstrahls, einen Strom des Elektronen- oder Ionenstrahls, einen Defokus des Elektronen- oder Ionenstrahls, eine Rasterschrittweite (p) eines Bewegungsrasters des Elektronen- oder Ionenstrahls, eine Rasterpositionsverweildauer (ta), eine Rasterpositionswiederholrate, eine Temperatur eines Substrats, auf dem die Schichten abgeschieden werden, einen Präkursorgasstrom, sowie eine chemische Zusammensetzung eines Präkursors, unter dessen Dissoziation die Schichten abgeschieden werden, ausgewählt ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die parameterwertspezifischen Schichten einer jeweiligen Parameterwertpopulation und/oder die Generationen von Parameterwertpopulationen zueinander elektrisch parallelgeschaltet abgeschieden werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die parameterwertspezifischen Schichten einer jeweiligen Parameterwertpopulation und/oder die Parameterwertpopulationen übereinander abgeschieden werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine jeweilige Schicht zwischen zwei Messelektroden abgeschieden wird und/oder eine jeweilige Parameterwertpopulation zwischen jeweils zwei generationsspezifischen Messelektroden abgeschieden wird, wobei insbesondere die Parameterwertpopulationen unterschiedlicher Generation elektrisch parallelgeschaltet und/oder nebeneinander abgeschieden werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Kennwert die elektrische Leitfähigkeit (σ), die zeitliche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit (σ) oder die elektrische Kapazität einer jeweiligen Schicht oder gegebenenfalls der als Parallelschaltung abgeschiedenen Schichten ist. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zum Ermitteln des elektrischen Kennwerts einer jeweiligen Schicht ein elektrischer Messwert durch eine Messvorrichtung (24) erfasst wird und/oder ein Zeitverlauf eines elektrischen Messwerts der gegebenenfalls zueinander parallelgeschaltet abgeschiedenen Schichten durch die Messvorrichtung (24) erfasst wird.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem vor dem Abscheiden einer ersten parameterspezifischen Schicht der Parameterwertpopulation erster Generation eine leitfähige Basisschicht (41) abgeschieden wird.

Verfahren zum Einstellen einer Depositionsanlage, bei dem das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angewandt wird, um einen optimierten Parameterwert für wenigstens einen Einstellparameter der Depositionsanlage zu finden und die Depositionsanlage gemäß dem gefundenen optimierten Parameterwert für den wenigstens einen Einstellparameter eingestellt wird.

Depositionsanlage (20) zum Abscheiden einer elektrisch leitfähigen Schicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke von weniger als 20nm, umfassend ein Gasinjektionssystem (5) zum Bereitstellen eines Präkursors (12), einen Elektronen- oder Ionenstrahlgenerator, eine Elektronik (22) zum Auffinden wenigstens eines bezüglich eines elektrischen Sollkennwerts der leitfähigen Schicht optimierten Einstellparameters der Depositionsanlage, wie eines Elektronenstrahl- oder Ionenstrahlparameters, wobei die Elektronik (22) wenigstens einen Stellausgang (28) für den wenigstens einen Einstellparameter der Depositionsanlage aufweist, und eine mit der Elektronik (22) verbundene Messvorrichtung (24) zum Erfassen des elektrischen Kennwerts der Schicht, wobei die Elektronik (22) derart zur Durchführung eines genetischen Algorithmus ausgelegt ist, dass

- mehrere Parameterwerte des wenigstens einen Einstellparameters zum Definieren einer Parameterwertpopulation erster Generation bestimmt werden;

- zum Abscheiden einer Schicht für jeden Parameterwert mittels der Depositionsanlage jeder Parameterwert der Parameterwertpopulation erster Generation am Stellausgang (28) eingestellt wird und gegebenenfalls wenigstens ein weiterer Einstellparameter der Depositionsanlage konstant gehalten wird;

- ein elektrischer Kennwert für jede Schicht jedes Parameterwerts der Parameterwertpopulation erster Generation ermittelt wird;

- eine Optimierungsbeurteilung der ermittelten elektrischen Kennwerte gegenüber dem elektrischen Sollkennwert ausgeführt wird und anhand der Optimierungsbeurteilung eine weitere Parameterwertpopulation zweiter Generation bestimmt wird; und

- das Auffinden des Parameters unter der Maßgabe der Verwendung der Parameterwerte der zweiten oder gegebenenfalls einer weiteren Generation fortgesetzt wird, bis der elektrische Sollkennwert erreicht ist oder der genetische Algorithmus für eine als Letzte vorbestimmte Generation abgeschlossen ist.

Verfahren zum Abscheiden einer supraleitfähigen Schicht auf einem Substrat, bei dem: ein Präkursorgas verwendet wird, das ein in die Gasphase gebrachtes supraleitfähiges Material enthält;

- das Substrat dem Präkursorgas ausgesetzt wird; und

- das Substrat einem Elektronen- oder Ionenstrahl ausgesetzt wird, so dass unter Wechselwirkung des Präkursorgases mit dem Elektronen- oder Ionenstrahl die supraleitfähige Schicht auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden wird.

Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Material metallisch, insbesondere ein Übergangsmetall, wie Molybdän, ist und/oder das Präkursorgas wenigstens eine weitere Gaskomponente, wie Kohlenstoff und/oder Sauerstoff, enthält, wobei insbesondere das Präkursorgas Molybdänhexacarbonyl (Mo(CO)₆) verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens ein Verfahrensparameter, wie ein Elektronen- oder lonenstrahlparameter, gemäß dem Optimierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingestellt wird.

14. Elektrisch leitfähige, insbesondere supraleitfähige, Schicht herstellbar durch fokussierte Elektronen- oder Ionenstrahl induzierte Deposition unter Anwendung des Optimierungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder des Abscheidungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13.

15. Elektrisch leitfähige Schicht nach Anspruch 14, die Kohlenstoff und Gallium mit einem Summen-Atomprozentanteil von etwa 60 at% oder weniger, insbesondere etwa 55 at% oder weniger, vorzugsweise etwa 52 at% oder weniger, aufweist, wobei insbesondere der Kohlenstoffanteil größer 15 at% und der Galliumanteil kleiner 35 at% ist, und/oder die Schicht einen metallischen Anteil, insbesondere einen Übergangsmetallanteil, wie einen Molybdänanteil, von wenigstens 30 at%, insbesondere wenigstens 35 at%, vorzugsweise wenigstens 40 at%, aufweist, und/oder die Schicht eine Sauerstoffanteil von weniger als 20 at%, insbesondere weniger als 15 at%, vorzugsweise weniger als 10 at% aufweist.