WO2022243544A1 - Vorrichtung und verfahren zum erzeugen einer materialschicht auf einer substratoberfläche aus mehreren materialquellen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum erzeugen einer materialschicht auf einer substratoberfläche aus mehreren materialquellen Download PDF

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WO2022243544A1
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shading
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Lars BANKO
Alfred Ludwig
Wolfgang Schumann
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RUHR-UNIVERSITäT BOCHUM
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    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target

Definitions

  • the invention relates to a device for producing a material layer on a substrate surface, comprising a substrate holder for a substrate having the substrate surface, a material source device with at least four material sources and a shadowing mask.
  • the invention relates to a method for producing a material layer on a substrate surface of a substrate by means of the above device.
  • the number of possible percentage combinations of the components contained in the material system is given by the formula: (n+r- 1) ! /(r ! (n- 1 ) ! , where n is the number of different components in the material system and r is the step size of the percentage chemical composition.
  • n is the number of different components in the material system
  • r is the step size of the percentage chemical composition.
  • a step size of 1% results in 101 possible chemical components Compositions, with a three-component (ternary) material system 5151, with a four-component (quaternary) material system 176851 and with a five-component (quinary) material system already their 4598126.
  • material layers can be produced in a binary material system - i.e. with two material sources - that fill the mixing space of all possible chemical compositions from 20 - 80%.
  • a binary material system i.e. with two material sources - that fill the mixing space of all possible chemical compositions from 20 - 80%.
  • the result is 50 - 70%.
  • movable shading masks with which the material flow to the substrate surface can be influenced, it is possible with three material sources and sequential coating (multilayer coating) to increase the coverage of the mixing space and achieve 100% coverage.
  • this method has the disadvantage that the multilayer structure has to be converted into a homogeneous layer of material, for example by annealing at sufficiently high temperatures.
  • 100% coverage in ternary material systems is possible because the three-dimensional space can be projected onto a two-dimensional plane. If there are more than three material sources, for example four material sources, there is the problem that no binary mixtures can be produced on the substrate in a material deposition step from those material sources that are not adjacent to one another. without simultaneously changing the relative relationships between the remaining components. In other words, only partial areas of the possible chemical compositions can be covered in a single material deposition step. Accordingly, in the case of material systems with four or more material sources, it is necessary to carry out numerous further material deposition steps in which the relative arrangement of the material sources is changed in each case. In addition, it is necessary to change the deposition rate of the individual material sources in order to generate all possible possible combinations of the chemical compositions, for example with material component proportions in 5% steps. This involves a lot of effort.
  • Document US 2012/0 164 354 A1 provides a sputtering device that can efficiently produce thin films in a short time without reducing throughput.
  • the sputtering device comprises a rotatable substrate holder, four target holders arranged obliquely with respect to the substrate holder, a first shutter and a second shutter provided between the target holders and the substrate holder, respectively, and the shutters have two openings formed twice symmetrically in Be train are arranged to an axis of rotation X have.
  • the publication DE 695 35 128 T2 describes a method and a device for producing a substrate that has an array of diverse materials in predetermined regions on it.
  • the substrate having the array of diverse materials thereon is fabricated by supplying material components to predetermined regions on the substrate and simultaneously reacting the components to form at least two materials.
  • JP 2006 057 119 A describes a film deposition system capable of ensuring a high film deposition rate without unduly increasing a required accuracy for controlling a moving speed of a shielding plate and adjusting a position.
  • the film forming apparatus includes: a plurality of target electrodes each having attachment surfaces to which targets can be attached; a substrate holder for holding a substrate at a position opposite to the plurality of target electrodes; a first shutter rotatably provided between the plurality of target electrodes and the substrate holder and having a plurality of openings which can oppose the mounting surfaces; and a shielding member disposed adjacent to the first closure member and having a number of openings equal in number to the target electrodes, wherein a gap between the first closure member and the shielding member widens toward an outer periphery starting from a portion where adjacent target electrodes are closest to each other.
  • the document US 6217 730 Bl describes a sputtering device that allows a small angle of incidence.
  • a plurality of shielding plates provided with holes at the same positions as the targets are arranged in a vacuum chamber. Sputter particles ejected diagonally from the targets adhere to the shielding plates, and only vertically ejected particles reach the surface of a substrate.
  • the publication EP 2980269 B1 describes a sputtering apparatus comprising a vacuum chamber, a plurality of targets, a shield which selectively exposes only one target inside the vacuum chamber from which a film is to be formed, a substrate holding unit which holds a substrate on which fine particles ejected from the target are deposited to form a film, a first transfer unit which holds and moves the substrate holding unit, a mask arranged between the substrate and the target, a second transfer unit, which moves the mask, and a plurality of through hole units with patterned through holes penetrating the mask.
  • the object of the invention to provide means for increasing the coverage of the mixing space in the material layer produced with a material deposition step when there are four or more material sources. Furthermore, it is the object of the invention to provide a device and a method in which a material layer can be produced in a single material deposition step, even with four or more material sources, which not only contains the binary mixtures of adjacent materials Has material sources, but also has binary mixtures of materials not adjacent disclosed material sources. In particular, the object of the invention is to provide a device and a method with which, with four or more material sources, a material layer can be produced in a single material deposition step, in which the entire mixing space of the possible percentage chemical compositions is covered, i.e. all binary, ternary, quaternary, quinary, etc. mixtures are present in the material layer.
  • a device for producing a material layer on a substrate surface comprising a substrate holder for a substrate having the substrate surface, a material source device with at least four material sources, and a shading mask.
  • the material source device is designed in such a way that a material flow can be generated from the material sources in the direction of the substrate surface of the substrate that can be provided in the substrate holder,
  • the shading mask comprises a shading surface with at least two openings
  • the shading mask is designed in such a way that there is a distance between the substrate surface of the substrate that can be provided in the substrate holder and the shading area, and that between the substrate surface of the substrate that can be provided in the substrate holder and the shading area there is a distance in relation to the openings in the shading surface continuous cavity is present,
  • the material sources and the shading mask being arranged in relation to one another in such a way that the material sources are next to one another in relation to the openings in the shading area
  • the arrangement of the material sources, the shading mask and the substrate holder relative to one another is such that the material flow that can be generated by the material source device of each material source is in the direction of the substrate surface of the substrate that can be provided in the substrate holder passes through all openings in the shading area, and
  • the distance between the substrate surface of the substrate that can be provided in the substrate holder and the shading area, the arrangement and design of the openings in the shading area and the arrangement of the material sources are such that on the substrate surface of the substrate that can be provided in the substrate holder in a material deposition step Material layer with binary mixed areas of materials that material swell he can be generated that are not directly adjacent to each other.
  • a method for producing a material layer on a substrate surface of a substrate by means of the above device comprising the steps
  • the central idea of the invention is to use a shading mask with four or more material sources, which mask has not just one opening in the shading area, but at least two openings.
  • the shading mask is designed such that there is a distance between the substrate surface of the substrate provided in the substrate holder and the shading area and that the continuous cavity is present between the substrate surface and the shading area with respect to the openings. Accordingly, by generating a simultaneous material flow of all material sources in the direction of the substrate surface in a material deposition step, a material layer can be generated on the substrate surface, which not only has binary mixtures of materials from directly adjacent material sources, but also binary mixtures of materials from material sources that are not directly adjacent.
  • the at least four material sources are arranged equidistantly in a circle around the opening, for example, a deposition pattern is created on the substrate surface in which the deposited materials of the respective material source are also arranged equidistantly in a circle, with the deposited areas being arranged in terms of their materials via a Point reflection through the opening corresponds to the arrangement of the material sources.
  • the areas deposited on the substrate surface can be larger than the opening.
  • the deposition pattern can resemble a four-leaf clover, for example.
  • the dispersion of the material flow, an angle of incidence of the material flow on the first opening and the selection of the distance between the shading area and the substrate surface also mean that binary mixed areas can be generated in which the separated areas of the materials from the individual material sources are located at adjacent edge areas overlap. It is therefore possible to generate a material layer that includes binary mixed areas of the materials of the directly adjacent material sources in each case.
  • a binary mixed area is to be understood as an area that includes materials from exactly two of the at least four material sources. In the analogy of the four-leaf clover, adjacent leaves of the four-leaf clover can overlap proportionately.
  • an area can also be generated that includes all materials of the material source - ie a quaternary mixed area with four material sources.
  • the first opening in the shading surface acts on the material flow in a similar way to an opening in a pinhole camera on the incident light.
  • the one described From the cutting process and the effect of the first opening can also be symbolized with a painting process with four spray cans at the same time using a stencil with an opening, the stencil being arranged at a distance from the surface to be painted and the paint jet showing an angular distribution of the sprayed paint.
  • the deposition pattern that can be produced by the material deposition step on the substrate surface can be influenced via the shape and size of the opening, via the distance between the shading area and the substrate surface, and via the arrangement of the material sources.
  • the first opening and the point reflection at the first opening thus make it possible to generate binary mixed areas of materials from directly adjacent material sources, but the first opening does not make it possible to generate a material layer in which binary mixed areas of materials from material sources that are not directly adjacent are present.
  • the second opening in the shading area and the continuous cavity in relation to the openings now means that the deposition pattern described above is created a second time on the substrate surface, namely locally offset to the deposition pattern caused by the first opening.
  • Each additional opening also leads to the deposition pattern repeating itself once more on the substrate surface in a locally offset manner.
  • the arrangement and design of the at least two openings in relation to one another is selected in particular such that the deposition pattern of the first opening is superimposed on edge regions where no binary mixed regions have arisen due to the first opening, with the deposition pattern of the second and/or other opening namely in the case of materials from non-directly adjacent material sources.
  • a material layer can be produced via a material deposition step, which not only has binary mixed areas of materials from directly adjacent material sources, but also binary mixed areas of materials from material that are not directly adjacent.
  • a deposition pattern of the materials is generated at each opening, which corresponds to a point reflection of the material swell through the respective opening. Since the material deposition step generates a simultaneous flow of material from all material sources through the at least two openings and a continuous cavity is present in relation to the openings, there is one on the substrate surface for each opening that is present Deposition patterns can be generated, wherein the deposition patterns can be converted into one another via a translation.
  • the material flow of the material sources is locally separated and/or superimposed in a controlled manner through the at least two openings in the shading area.
  • the device and the method thus enable a material layer on the substrate surface through a single material deposition step—that is, without the arrangement of the material sources having to be changed in relation to one another and/or without the arrangement of the shading mask and the substrate having to be changed in relation to one another which, in addition to the binary mixed areas of materials from directly adjacent material sources, also includes binary mixed areas of materials from material sources that are not directly adjacent to one another.
  • the device and the method allow a material layer with binary mixed regions of materials of the material sources to be produced on the substrate surface in a material deposition step, the material sources of which are not directly adjacent to one another.
  • the shading mask does not have to be moved during the process.
  • the distance between the substrate surface of the substrate provided in the substrate holder and the shading area, the arrangement and design of the openings in the shading area and the arrangement of the material sources are such that on the substrate surface in a material - deposition step a Material layer can be generated with multinary mixed areas, which has a locally changing ratio of the materials of the material to one another in the multinary mixed areas. It is therefore preferably possible by means of the device and the method not only to generate binary mixed regions, but also Mixed areas with more than two components. Preferably, all combinatorially possible multinary mixed areas can be generated, ie with four material swelling, binary, ternary and quaternary mixed areas.
  • the multinary mixing areas have a ratio of the materials of the material sources to one another that changes locally in relation to the substrate surface.
  • the entire coverage range of possible composition percentages of multinary material systems can be generated in a single material deposition step.
  • a 100% coverage of the mixing space in multinary material systems with up to 20 material sources is preferably possible in this way.
  • the layers of material produced by the apparatus and method preferably exhibit a controlled change in their chemical composition on the micrometer scale. This enables the layers of material to be characterized with regard to various properties by means of suitable spatially resolving analysis techniques - for example scanning probe microscopy methods or electron microscopic methods. Due to the change in chemical composition on the micrometer scale, high-throughput microscopy techniques can be used, so that the characterization time of the material layers can be reduced. This allows large material libraries to be created.
  • the device can basically be any device by means of which a material layer can be deposited on a substrate surface by a material flow from the material sources, for example a cathode sputtering device or a spray coating device. It is preferably a device which is designed to carry out a physical gas phase deposition (physical vapor deposition, PVD).
  • a material layer can be deposited on a substrate surface by a material flow from the material sources, for example a cathode sputtering device or a spray coating device. It is preferably a device which is designed to carry out a physical gas phase deposition (physical vapor deposition, PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • the device includes the substrate holder, which is designed to provide the substrate with the substrate surface.
  • the substrate holder can be a flat surface of the device on which the substrate can rest.
  • the device includes the material source device with the at least four material sources.
  • the material source device is designed to generate the material flow from the material sources in the direction of the substrate surface. It is preferably provided that the material source device is designed to convert the materials of the material sources into the gas phase. Provision is also preferably made for the material source device to be designed to generate a material flow from all material sources at the same time. In addition, it is further preferably provided that the material source device is designed in such a way that a material flow can be generated from all material sources, which has a focus on the openings of the shading surface.
  • the material flow of a material source that can be generated by the material source device has an angle-dependent distribution function with a center of gravity orthogonal to the material source surface.
  • the material sources can basically be any material, including a material that includes several chemical elements, such as an alloy of copper and iron. However, it is also possible for the material source to have a material composed of only one element, for example pure platinum.
  • the at least four material sources can basically have the same materials. However, it is preferably provided that the material sources have different materials from one another. In this way, layers of material with a changing chemical composition can be produced.
  • the type of material of the material source also influences the angular distribution of the material flow of the material source. The angular distribution of the material flow in turn influences the dispersion of the material flow after passing through the openings.
  • the material sources are arranged next to one another in relation to the openings in the shading area.
  • side by side means that viewed from one of the openings in the shading surface, the material sources are not arranged one behind the other in such a way that the material flow of one material source in the direction of the opening would be interrupted by another material source.
  • the material sources are arranged next to one another in such a way that a material flow can be generated from each material source in the direction of all openings, which is not interrupted by another material source. This ensures that at the same time generating a Ma material flow of all material sources in the direction of the openings, the material flows of individual material sources can mix with each other.
  • the arrangement of the material sources it is possible, for example, for the material sources to be arranged in a row next to one another next to the openings or in a ring around the openings.
  • the shading mask has the shading area.
  • the shading surface is preferably planar and has the at least two openings. More preferably, the shading mask is designed in such a way that the shading mask ensures that there is a distance between the substrate surface and the shading area. More preferably, the shading surface can be arranged and/or is arranged parallel to the substrate surface.
  • the shadowing mask can be, for example, a disc made of sheet metal, which is placed over the substrate surface by means of a stand.
  • the shading mask can include spacers, by means of which it can be placed and/or is placed directly on the substrate surface, the spacers ensuring that the distance between the substrate surface and the shading area is present.
  • the shading mask is designed in such a way that the cavity, which is continuous with respect to the openings, is present between the substrate surface and the shading surface.
  • the shading mask has no intermediate walls or the like between the openings, which could divide the space between the shading area and the substrate surface into several compartments. Instead, the space between the shading area and the substrate surface is a continuous cavity.
  • the material sources can be and/or are arranged along a ring around the openings of the shading surface.
  • the material deposition step creates a deposition pattern of the materials per opening, in which the materials of the respective material swell are also arranged in a ring around the respective opening.
  • the ring-shaped arrangement of the material sources thus makes it particularly easy to arrange the second opening in relation to the first opening of the shading surface in such a way that the deposition pattern of the first opening changes at edge regions where there are no binary mixed regions due to the first opening are superimposed with the second aperture deposition pattern for materials from non-directly adjacent material sources.
  • the annular arrangement can be a circular or an oval arrangement.
  • the at least two openings may be at the center of the circular array of material sources or may be offset therefrom.
  • the material sources can be arranged and/or are arranged in a circle concentrically around the at least two openings.
  • the material sources can be and/or are arranged equidistantly around the openings of the shading surface.
  • the material sources can be and/or are arranged annularly and equidistantly around the openings of the shading surface.
  • the materials of the material sources in the deposition pattern are also arranged equidistantly and particularly preferably in the form of a ring and equidistantly.
  • the two-dimensional substrate surface can be filled in a particularly simple manner with deposition patterns which are arranged in such a way that a deposition pattern of one opening in each case overlaps with a deposition pattern of an adjacent opening.
  • the material sources, the shadowing mask and the substrate provided in the substrate holder are arranged relative to one another in such a way that the material flow generated by the material source device of each material source all openings in the shading surface pass at an angle of between 20 and 90 degrees, particularly preferably at an angle of between 20 and 70 degrees.
  • the angle of incidence of the material flow on the opening means the following angle: starting from the material source along the material flow to the openings in the shading area and then along the plane of the shading area in the opposite direction to the material flow.
  • the openings in the shading surface are arranged rotationally symmetrically.
  • four openings can be arranged such that three of the four openings are grouped in an equilateral triangle around the fourth opening.
  • the four openings can be arranged in the shape of a square.
  • five openings are preferably arranged in the form of a pentagon around the sixth opening.
  • a material layer can be produced that has the same multinary mixtures of the materials of the material source in a number of areas, ie, for example, includes a number of binary mixed areas of the same type of components. This is particularly advantageous with regard to a subsequent analysis of the material layer, since the analysis results are repeated within a material layer and can therefore be checked within the same material layer.
  • the openings in the shading surface can have any shape. However, it is preferably provided that the openings in the shading area are circular. Circular openings can be produced in a particularly simple manner and also allow an arrangement in which the deposition patterns of adjacent openings are superimposed in a particularly simple manner.
  • a distance between two adjacent openings can be the same for all openings in the shading area. Alternatively, it can be provided that the distance between two adjacent openings in the shading area is different.
  • the openings can also all have the same size. In the case of circular openings, it is therefore possible for all openings to have the same diameter. However, it is preferably provided that adjacent openings in the shading area are different. This allows the material flow of the different material sources to be specifically separated and/or superimposed such that compositional regions of the materials of the material sources that are of particular interest account for a larger area on the deposited material layer than compositional regions that are of little interest.
  • the device and the method can be used to produce material layers which preferably have a controlled change in their chemical composition on the micrometer scale. In this context, according to a preferred development of the invention, it is provided that the openings in the shading surface have a dimension of 0.5 ⁇ m to 20,000 ⁇ m.
  • the openings particularly preferably have a dimension of 0.5 gm to 500 gm.
  • the dimension means the longest straight stretch that connects two edge points of an opening with one another.
  • the diameter is preferably 0.5 ⁇ m to 20,000 ⁇ m, particularly preferably 0.5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the diagonal is preferably 0.5 to 20,000 ⁇ m, particularly preferably 0.5 ⁇ m to 500 ⁇ m long .
  • the openings preferably have a dimension of 0.5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the shading mask is therefore preferably a microscale shading mask.
  • the distance between the substrate surface of the substrate provided in the substrate holder and the shading area is between 0.5 gm and 20000 gm, particularly preferably between 0.5 gm and 500 gm.
  • Such a distance makes it particularly easy to produce the deposition patterns described, in which the deposition patterns of adjacent openings overlap.
  • the distance between the substrate surface of the substrate provided in the substrate holder and the shading area is between 0.5 gm and 500 gm.
  • the shading surface can have two, three, four, five, six, seven, eight or any number of openings.
  • the number of openings in the shading area is matched to the number of material sources.
  • the number of openings in the shading area is adapted to the number of material sources in such a way that the shading surface comprises at least one more opening than there are material sources.
  • the shading surface therefore preferably has at least five openings.
  • the shading surface accordingly preferably has at least six openings.
  • the shading mask can be, for example, a sheet metal disk that is placed over the substrate surface by means of a stand.
  • the shading mask is applied to the substrate surface by means of lithographic methods.
  • the shading mask is preferably produced directly on the substrate surface by means of lithographic methods before the material layer is deposited on the substrate surface masked in this way.
  • Applying the shading mask to the substrate surface by means of lithographic methods has the advantage that the mask cannot shift in relation to the substrate surface.
  • the shading mask is preferably produced by means of a Ufl-off method in which a sacrificial layer is used, which initially covers those areas which later become the openings in the shading area. More preferably, the cavity that is continuous with respect to the openings is achieved by means of an undercut.
  • the step of arranging the material sources, the shading mask and the substrate in such a way that the material sources are next to one another in relation to the openings in the shading area and that the material flow of all material sources generated by the material source device includes all openings in the shading surface happens, applying the shading mask to the substrate surface by means of lithographic processes encompasses.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for producing a material layer on a substrate surface, according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a shading mask of the device from FIG. 1, according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of the shadowing mask from FIG. 2 along the line AA
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an arrangement of the material sources around an opening of a shadowing mask, according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a deposition pattern of the materials of the material source, which can be produced with the shadowing mask from FIG. 2 and the arrangement of the material sources from FIG. 4, according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows schematic representations of possible deposition patterns of the shading mask from FIG. 2, according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a light microscope image of a material layer produced using the shading mask from FIG Invention.
  • FIG. 1a shows a schematic representation of a device 10 for producing a material layer 12 on a substrate surface 14 of a substrate 16, according to a preferred embodiment of the invention.
  • the device 10 comprises a substrate holder 18 which is only indicated schematically and which is designed to provide the substrate 16 .
  • the device 10 further comprises a material source device 20 with at least four material sources 22 - in the present case there are five material sources 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, of which only two material sources 22a, 22b are shown in FIG.
  • the material source device 20 is designed in such a way that a material flow 24—which is illustrated schematically by arrows 24 in FIG. 1—can be generated from the material sources 22 in the direction of the substrate surface 14 of the substrate 16 .
  • the device 10 also includes a shading mask 26, which includes a shading surface 28 with at least two openings 30a, 30b, of which only the first opening 30a can be seen in FIG.
  • the shading mask 26 of the device 10 is also shown in FIG. 2, which clearly shows that the shading mask 26 includes at least two openings 30a, 30b.
  • FIG. 2 shows the shading mask 26 from above, as it lies on the substrate surface 14, so that the substrate surface 14 can also be seen through the openings 30 in the shading mask 26.
  • FIG. 3 shows a sectional illustration along the line A-A of the shading mask 26 shown in FIG. In the present case, the six openings 30 are all circular and all have the same diameter 31, namely 10 ⁇ m.
  • the arrangement of the openings 30 of the shading mask 26 in the shading surface 28 is presently rotationally symmetrical, with five of the six openings 30 being arranged in an equilateral pentagon around the sixth opening 30a.
  • the distance between the centers of two adjacent openings 30 also has a length of 20 ⁇ m.
  • the shading mask 26 is applied directly to the substrate surface 14 by means of lithographic methods.
  • the shading mask 26 is designed in such a way that there is a distance 32 between the substrate surface 14 and the shading area 28 .
  • the distance 32 between the substrate surface 14 and the shading surface 28 is 10 pm in the present exemplary embodiment.
  • the shading mask 26 is designed in such a way that between the substrate surface 14 and the shading surface 28 there is a cavity 34 that is continuous with respect to the openings 30.
  • the material sources 22, the shading mask 26 and the substrate 16 provided in the substrate holder 18 are arranged relative to one another in such a way that the material sources 22 are next to one another in relation to the openings 30 in the shading surface 26 , So that the material flow 24a of a material source 22a in the direction of the opening 30 is not interrupted by the further material source 22b. Instead, the material flows 24a and 24b of the material sources 22a and 22b mix on their way in the direction of the opening 30.
  • the material sources 22 are arranged such that the material flow 24 generated by the material source device 20 of all material sources 22 the openings 30 with an angle of incidence 36, in this case 45 degrees, happened.
  • FIG. 4 shows that in this preferred exemplary embodiment, the material sources 22 are arranged equidistantly and in the form of a ring around the openings 30 of the shading mask 26 .
  • the middle opening 30a of the six openings 30 of the shading mask from FIG. 2 is shown in FIG.
  • the material sources 22a and 22b shown in FIG. 1 are therefore directly adjacent to one another in the annular arrangement.
  • the distance 32 between the substrate surface 14 of the substrate 16 and the shading surface 28, the arrangement and configuration of the openings 30 and the arrangement of the material sources 22 are such that on the substrate surface 14 by means of the device 10 in a material deposition step, a material layer 12 with binary mixtures 38, 40 of materials 42 of the material sources 22 can be produced, which has more than those binary mixtures 38, 40 of the materials 42 of the material sources 22 that are directly adjacent to one another in relation to the arrangement of the material sources 22 are.
  • step by step in FIG. 5 by first considering the effect of just one opening 30a of the shading mask 26, as in FIG. 5a shown. Due to the first opening 30a in the shadowing mask 26, the distance 32 between the substrate surface 14 and the shadowing surface 28, and the arrangement of the material sources 22 as shown in Figure 4, a deposition pattern 44 of the materials 42 is formed on the substrate surface 14 by the material deposition step through the first opening 30a, which pattern corresponds to the arrangement of the material sources 22, the arrangement of the deposited materials 42a, 42b, 42c, 42d, 42e is connected to the assembly of material sources 22a, 22b, 22c, 22d, 22e via a point symmetry operation through the first opening 30a.
  • the separated regions 46 of a material 42 of a material source 22 each have an oval shape.
  • the areas 46 overlap in each case at the edge areas, so that binary mixed areas 38 arise there.
  • These binary mixed regions 38 are each produced by materials 42 of the material sources 22 that are directly adjacent to one another.
  • the binary mixed region 38 shown in FIG. 5a is composed of the materials 42d and 42e, which originate from the material sources 22d and 22e, it being clear from FIG. 4 that the material sources 22d and 22e are directly adjacent to one another.
  • the one opening 30a therefore does not result in a binary mixed region 40 of materials 42 whose material sources are not directly adjacent to one another.
  • FIG. 5b illustrates the effect of the second opening 30b on the deposited material layer 12.
  • the deposition pattern 44 of an opening 30 shown in FIG. 5a is repeated locally offset through the second opening 30b, with the two deposition patterns 44 being superimposed.
  • This creates a material layer 12 that has more than those binary mixed regions 38, 40 of the materials 42 of the material sources 22 that are directly adjacent to one another in relation to the arrangement of the material sources 22. This is because binary mixed areas 40 of the materials 42a and 42c and binary mixed areas 40 of the materials 42c and 42e also arise. As can be seen from FIG. 4, however, the material sources 22a and 22c and 22c and 22e are not directly adjacent.
  • Figure 5c illustrates the effect of all six openings 30 of the shading mask 26. It is therefore possible with the shading mask 26 to produce a material layer 12 with a deposition pattern 45 which swells 22 all ten combinatorially possible binary mixtures 38, 40 of the materials 42 of the five material having. So the following binary Combinations 38 of materials 42 directly adjacent material swell 22: ab, ae, bc, cd, de. And the following binary combination 40 of the materials 42 not directly adjacent material sources 22: ac, ad, bd, be, ce. In addition, not only binary mixed areas 38, 40 are generated, but also ternary, quaternary and quinary. The mixed areas of the same type and, in particular, the binary mixed areas 38, 40 of the same type are also produced multiple times in the material layer 12. In addition, the material layer 12 has a composition gradient of the materials 42 within the multinary mixed regions, as explained below.
  • FIG. 1b The formation of multinary mixed areas is illustrated in FIG. 1b using the binary mixed area 38 .
  • the arrangement of the material sources 22 and the configuration of the shading mask 26 allows a material layer 12 to be produced in which the proportions of the materials 42 change locally within the binary mixed regions 38 .
  • a material layer 12 is thus produced which has a composition gradient of the materials 42 in the binary mixed regions 38 , 40 . Even if this is shown in FIG.
  • a material layer 12 can be produced in a single material deposition step, as illustrated in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic representation of possible simulated deposition patterns 45 of the shadowing mask 26 of FIG. 2, according to a preferred embodiment of the invention.
  • the shading mask 26 acts with its openings 30 on the material flow 24 analogous to an opening of a pinhole camera on the incident light.
  • Different deposition patterns 45 can be produced via the shape and size of the six openings 30, via the distance between the shading surface 28 and the substrate surface 14, and via the arrangement of the material sources 22.
  • FIG. 6 shows, by means of simulated deposition patterns 45, the effect of a changing distance between the centers of the openings 30 in the shading mask 26 of FIG unchanged diameter 31 of openings 30, unchanged arrangement of material sources 22 (as shown in Figure 4) and unchanged angle of incidence 36 of 45 degrees.
  • the distance between the centers of the openings 30 is directly considered, while the change in the distance 32 between the substrate surface 14 and the shading surface 28 is considered over a changing width of a 2-dimensional Gaussian distribution of the deposition profile of the material flow. Due to the changing distance between the openings 30 and the changing distance 32 between the substrate surface 14 and the shading surface 28, the mixed regions 38 between the deposited regions 46 of an opening 30 and the mixed regions 40 between the deposited patterns 44 of adjacent openings 30 arise, be precisely changed.
  • the distance 32 is selected in comparison to the diameter 31 of the openings 30 such that the individually deposited materials 42a, b, c, d, e of the five materials swell 22a , b, c, d, e are pulled apart to such an extent that they are recognizable as individual areas in the deposition pattern 45, so that the deposition pattern 44 of an opening already shown in FIG. 5 is visible as such.
  • the deposition pattern 44 of an opening with the five material areas is present in each of the deposition patterns 45 of all openings 30 shown in rows 1 and 2, but the individual material areas can no longer be recognized as such due to superimposition.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a light microscope image of a material layer 12 produced by means of the shading mask 26 from FIG. 2 and the device 10 from FIG. 1, according to a preferred embodiment of the invention.
  • the deposited material layer 12 which is also referred to as a micro-library has locally varying compositional ratios of the materials 42 of the five material sources 22 .
  • the materials 42 used were ruthenium, rhodium, palladium, iridium and platinum, which were deposited on a silicon wafer forming the substrate 16 .
  • the material layer 12 was analyzed by means of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX, energy dispersive X-ray spectroscopy) in order to analyze the element composition in the material view 12 in a spatially resolved manner. Due to the small diameter 48 of only 100 ⁇ m of the microlibrary deposited by the shading mask 26, the EDX analysis takes only 10 to 20 minutes.
  • the one in figure The circles shown in FIG. 7 correspond to increases in the material layer 12 due to the superimposition of the various materials 42. Each circle in FIG. 7 corresponds approximately to a superimposition of five two-dimensional Gaussian distributions of the individual deposited materials.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Erzeugen einer Materialschicht (12) auf einer Substratoberfläche (14), umfassend eine Substrathalterung (18) für ein die Substratoberfläche (14) aufweisendes Substrat (16), eine Materialquelleneinrichtung (20) mit wenigstens vier Materialquellen (22), und eine Abschattungsmaske (26). Die Abschattungsmaske (26) weist in einer Abschattungsfläche (28) wenigstens zwei Öffnungen (30) auf. Zudem ist die Abschattungsmaske (26) derart ausgestaltet, dass zwischen der Substratoberfläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitgestellten Substrates (16) und der Abschattungsfläche (28) ein Abstand (32) ist und, dass zwischen der Substratoberfläche (14) und der Abschattungsfläche (28) in Bezug auf die Öffnungen (30) eine durchgehende Kavität (34) vorhanden ist. Die Vorrichtung erlaubt es, auf der Substratoberfläche (14) in einem Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht (12) mit binären Mischbereichen (38, 40) von Materialien (42) der Materialquellen (22) zu erzeugen, wobei die Materialschicht (12) auch binäre Mischbereiche (40) von Materialien (42) umfasst, deren Materialquellen (22) nicht direkt zueinander benachbart sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Material Schicht auf einer Substratober fläche aus mehreren Materialquellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Material schicht auf einer Sub stratoberfläche, umfassend eine Substrathalterung für ein die Substratoberfläche aufwei sendes Substrat, eine Materialquelleneinrichtung mit wenigstens vier Materialquellen und eine Abschattungsmaske.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Material Schicht auf einer Substratoberfläche eines Substrates mittels der obigen Vorrichtung.
Die Erforschung von Materialeigenschaften in Abhängigkeit der chemischen Zusammen setzung erfordert die Synthese einer hohen Anzahl von Materialproben deren primäres Merkmal die chemische Zusammensetzung ist.
In vielkomponentigen (multinären) Materialsystemen ist die Anzahl der möglichen pro zentualen Kombinationen der im Material System enthaltenen Komponenten gegeben durch die Formel: (n+r- 1 ) ! /(r ! (n- 1 ) ! , wobei n die Anzahl unterschiedlicher Komponenten im Material System und r die Schrittweite der prozentualen chemischen Zusammensetzung ist. In einem zweikomponentigen (binären) Material System ergeben sich beispielsweise bei einer Schrittweite von 1% 101 mögliche chemische Zusammensetzungen, bei einem drei- komponentigen (ternär) Material System 5151, bei einem vierkomponentigen (quaternär) Material System 176851 und bei einem fünfkomponenentigen (quinär) Material System schon deren 4598126. Um neue Werkstoffe und deren Eigenschaften zu untersuchen müss ten all diese Zusammensetzungen hergestellt werden, was bei vielkomponentigen Materi alsystemen mit einem immensen, in der Regel nicht zu realisierendem Aufwand verbunden ist. Entsprechend werden bei vielkomponentigen Materialsystemen lediglich stichproben artig spezifisch vordefinierte Zusammensetzungen hergestellt, was allerdings das Potential zur Entdeckung neuer Eigenschaften stark schmälert.
Mittels Verfahren, die durch einen Materialfluss aus einer oder mehrerer Materialquellen eine Schicht auf einer planaren Substratoberfläche eines Substrates erzeugen, wie bei spielsweise Kathodenzerstäubung, lassen sich unter Ausnutzung der Winkel- und Distanzabhängigkeit des Materialflusses oder mittels beweglicher Blenden Zusammenset zungsgradienten über die Substratoberfläche erzeugen, sodass eine Vielzahl von mögli chen chemischen Zusammensetzungen in der abgeschiedenen Material Schicht erzeugt werden können.
Bei Vorrichtungen zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche durch Materialabscheidung, bei denen die Materialquellen ringförmig angeordnet sind und einen gemeinsamen Fokuspunkt in einer gegebenen Distanz aufweisen, lassen sich bei einem binären Material System - also mit zwei Materialquellen - Materialschichten erzeugen, die den Mischungsraum aller möglichen chemischen Zusammensetzungen von 20 - 80 % ab decken. In ternären Materialsystemen, also bei drei Materialquellen ergeben sich 50 - 70%. Unter Verwendung von beweglichen Abschattungsmasken, mit denen der Materialfluss hin zur Substratoberfläche beeinflusst werden kann, ist es möglich bei drei Materialquellen und sequentieller Beschichtung (Viellagenschicht), die Abdeckung des Mischungsraums zu erhöhen und 100 % Abdeckung zu erreichen. Allerdings weist dieses Verfahren den Nachteil auf, dass die Viellagenschichtstruktur zum Beispiel durch Glühung bei ausrei chend hohen Temperaturen in eine homogene Materialschicht umgewandelt werden muss.
Die Publikationen „ Plasma sputtering System for deposition of thin film combinatorial libraries “ in Review of Scientific Instruments 76, 062221 (2005) und „ SECM charac- terization ofPt Ru WC and Pt Ru Co ternary thin film combinatorial libraries as anode electrocatalysts for PEMFC“ in Journal of Power Sources 161 (2006) 106-114 beschrei ben zum Beispiel, dass unter Verwendung einer Abschattungsmaske mit einer schlitzför migen Öffnung, die nicht direkt auf der zu beschichtenden Substratoberfläche aufliegt, Material schichten erzeugt werden können, die kontinuierliche binäre oder ternäre Zusam mensetzungsgradienten der unterschiedlichen Materialien der zwei oder drei Material quel len aufweisen.
Die 100% Abdeckung in ternären Materialsystemen ist möglich, da sich der dreidimensi onale Raum auf eine zweidimensionale Ebene projizieren lässt. Bei mehr als drei Materi alquellen, also beispielsweise bei vier Materialquellen besteht die Problemantik, dass von denjenigen Material quellen, die nicht zueinander benachbart sind, in einem Materialab- scheidungsschritt keine binären Mischungen auf dem Substrat erzeugt werden können, ohne dass gleichzeitig die relativen Verhältnisse zwischen den verbleibenden Komponen ten verändert werden. In anderen Worten lassen sich lediglich Teilbereiche der möglichen chemischen Zusammensetzungen in einem einzigen Materialabscheidungsschritt abde cken. Entsprechend ist es bei Materialsystemen mit vier oder mehr Materialquellen not wendig, zahlreiche weitere Materialabscheidungsschritte durchzuführen, bei denen jeweils die relative Anordnung der Materialquellen zueinander verändert wird. Zudem Bedarf es der Veränderung der Abscheiderate der einzelnen Materialquellen, um alle möglichen Kombinationsmöglichkeiten der chemischen Zusammensetzungen, beispielsweise mit Materialkomponentenanteilen in 5 % Schritten, zu erzeugen. Dies ist mit hohem Aufwand verbunden.
Die Druckschrift US 2012 / 0 164 354 Al stellt eine Sputtervorrichtung bereit, die Dünn filme in kurzer Zeit effizient erzeugen kann, ohne den Durchsatz zu verringern. Die Sput tervorrichtung umfasst einen drehbaren Substrathalter, vier Targethalter, die bezüglich des Substrathalters schräg angeordnet sind, eine erste Verschlussklappe und eine zweite Ver schlussklappe, die jeweils zwischen den Targethaltem und dem Substrathalter vorgesehen sind, und wobei die Verschlussklappen zwei Öffnungen, die zweifach symmetrisch in Be zug zu einer Drehachse X angeordnet sind, aufweisen.
Die Druckschrift DE 695 35 128 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Substrates, das ein Array diverser Materialien in vorgegebenen Regio nen darauf aufweist. Das Substrat mit der Anordnung diverser Materialien darauf wird hergestellt, indem den vorgegebenen Regionen auf dem Substrat Materialkomponenten zugeführt werden und die Komponenten simultan zur Reaktion gebracht werden, um min destens zwei Materialien zu bilden.
Die Druckschrift JP 2006 057 119 A beschreibt ein Filmabscheidungssystem, das in der Lage ist, eine hohe Filmabscheidungsrate sicherzustellen, ohne eine erforderliche Genau igkeit zum Steuern einer Bewegungsgeschwindigkeit einer Abschirmplatte und zum Ein stellen einer Position unangemessen zu erhöhen.
Die Druckschrift US 2014 / 0 054 167 Al stellt eine Filmbildungsvorrichtung bereit, die so konfiguriert ist, dass das Auftreten von Kontamination zwischen Targets verringert wird. Die Filmbildungsvorrichtung umfasst: eine Vielzahl von Zielelektroden, die jeweils Befestigungsoberflächen haben, an denen Ziele befestigt werden können; einen Substrat halter zum Halten eines Substrats an einer Position gegenüber der Mehrzahl von Zielelekt roden; ein erstes Verschlusselement, das drehbar zwischen der Vielzahl von Zielelektroden und dem Substrathalter vorgesehen ist und eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die den Befestigungsflächen gegenüberliegen können; und ein Ab schirm elem ent, das neben dem ersten Verschlusselement angeordnet ist und eine Anzahl von Öffnungen aufweist, die gleich der Anzahl der Zielelektroden ist, wobei ein Spalt zwischen dem ersten Verschlus selement und dem Abschirmelement sich hin zu einem Außenumfang aufweitet, ausge hend von einem Abschnitt, wo benachbarte Zielelektroden sich am nächsten sind.
Die Druckschrift US 6217 730 Bl beschreibt ein Sputtergerät, das einen kleinen Einfalls winkel ermöglicht. Eine Vielzahl von Abschirmplatten, die mit Löchern an den gleichen Positionen wie die Targets versehen sind, sind in einer Vakuumkammer angeordnet. Sput- terpartikel, die diagonal von den Targets ausgestoßen werden, haften an den Abschirm platten und nur vertikal ausgestoßene Partikel erreichen die Oberfläche eines Substrats.
Die Druckschrift EP 2980269 Bl beschreibt eine Sputtervorrichtung umfassend eine Va kuumkammer, eine Vielzahl von Zielen, eine Abschirmung, die im Inneren der Vakuum kammer selektiv nur ein Target freilegt, aus dem ein Film gebildet werden soll, eine Sub- strathalteeinheit, die ein Substrat hält, auf dem feine Partikel, die von dem Target ausgestoßen werden, abgeschieden werden, um einen Film zu bilden, eine erste Übertra gungseinheit, die die Substrathai teeinheit fest hält und bewegt, eine zwischen dem Substrat und dem Target angeordnete Maske, eine zweite Übertragungseinheit, die die Maske be wegt, und mehrere Durchgangslocheinheiten mit strukturierten Durchgangslöchern, die die Maske durchdringen.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, Mittel bereitzustellen, um bei vier oder mehr Materialquellen die Abdeckung des Mischungsraumes in der mit einem Materialab- scheidungsschritt erzeugten Material Schicht zu erhöhen. Weiterhin ist es Aufgabe der Er findung eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei denen in einem einzigen Materialabscheidungsschritt auch bei vier oder mehr Materialquellen eine Materialschicht erzeugbar ist, die nicht nur die binären Mischungen von Materialien benachbarter Materialquellen aufweist, sondern auch binäre Mischungen von Materialien nicht benach barter Materialquellen aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrich tung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen bei vier oder mehr Materialquellen in einem einzigen Materialabscheidungsschritt eine Material Schicht erzeugbar ist, bei der der gesamte Mischungsraum der möglichen prozentualen chemischen Zusammensetzungen abgedeckt ist, also alle binären, ternären, quaternären, quinären, etc. Mischungen in der Material Schicht vorhanden sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Be vorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfmdungsgemäß wird also eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Material Schicht auf ei ner Substratoberfläche, umfassend eine Substrathalterung für ein die Substratoberfläche aufweisendes Substrat, eine Materialquelleneinrichtung mit wenigstens vier Materialquel len, und eine Abschattungsmaske, bereitgestellt,
- wobei die Materialquelleneinrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Materialfluss von den Materialquellen in Richtung der Substratoberfläche des in der Substrathal terung bereitstellbaren Substrates erzeugbar ist,
- wobei die Abschattungsmaske eine Abschattungsfläche mit wenigstens zwei Öff nungen umfasst,
- wobei die Abschattungsmaske derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Substrat oberfläche des in der Substrathalterung bereitstellbaren Substrates und der Ab- schattungsfläche ein Abstand ist und, dass zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitstellbaren Substrates und der Abschattungsfläche eine in Bezug auf die Öffnungen in der Abschattungsfläche durchgehende Kavität vor handen ist,
- wobei die Materialquellen und die Abschattungsmaske derart zueinander angeord net sind, dass die Materialquellen bezogen auf die Öffnungen in der Abschattungs- fläche nebeneinander sind,
- wobei die Anordnung der Materialquellen, der Abschattungsmaske und der Sub strathalterung zueinander derart ist, dass der von der Materialquelleneinrichtung erzeugbare Materialfluss jeder Material quelle in Richtung der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitstellbaren Substrates alle Öffnungen in der Ab- schattungsfläche passiert, und
- wobei der Abstand zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitstellbaren Substrates und der Abschattungsfläche, die Anordnung und Aus gestaltung der Öffnungen in der Abschattungsfläche und die Anordnung der Mate rialquellen derart sind, dass auf der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitstellbaren Substrates in einem Materialabscheidungsschritt eine Material schicht mit binären Mischbereichen von Materialien derjenigen Material quellen er zeugbar ist, die nicht direkt zueinander benachbart sind.
Erfmdungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche eines Substrates mittels der obigen Vorrichtung bereitgestellt, umfas send die Schritte
- Bereitstellen des Substrates in der Substrathalterung, und
- Erzeugen eines gleichzeitigen Materialflusses aller Material quellen in Richtung der Sub stratob erfl äche .
Kemidee der Erfindung ist bei vier oder mehr Materialquellen eine Abschattungsmaske zu verwenden, die in der Abschattungsfläche nicht lediglich eine Öffnung aufweist, sondern wenigstens zwei Öffnungen. Zudem ist die Abschattungsmaske derart ausgestaltet, dass zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitgestellten Substrates und der Abschattungsfläche ein Abstand ist und, dass zwischen der Substratoberfläche und der Abschattungsfläche in Bezug auf die Öffnungen die durchgehende Kavität vorhanden ist. Entsprechend kann durch Erzeugen eines gleichzeitigen Materialflusses aller Materi alquellen in Richtung der Substratoberfläche in einem Materialabscheidungsschritt eine Material Schicht auf der Substratoberfläche erzeugt werden, die nicht nur binäre Mischun gen von Materialien direkt benachbarter Materialquellen aufweist, sondern auch binäre Mischungen von Materialien nicht direkt benachbarter Materialquellen.
Der Effekt der obigen Ausgestaltung der Abschattungsmaske sowie der Effekt der Anord nung der Materialquellen, der Abschattungsmaske und des Substrates zueinander lässt sich am anschaulichsten erläutern, wenn zunächst nur eine der wenigstens zwei Öffnungen der Abschattungsfläche betrachtet wird. Aufgrund der ersten Öffnung in der Abschattungsfläche, des Abstandes zwischen der Substratoberfläche und der Abschat tungsfläche, und der Anordnung der Materialquellen derart, dass der Materialfluss aller Materialquellen die Öffnung in der Abschattungsfläche passiert, entsteht auf der Substrat oberfläche durch den Materialabscheidungsschritt durch die erste Öffnung ein Abschei dungsmuster der Materialien, das zur Anordnung der Material quellen um die Öffnung kor respondiert. Sind die wenigstens vier Materialquellen beispielsweise kreisförmig äquidistant um die Öffnung angeordnet, entsteht auf der Substratoberfläche ein Abschei dungsmuster, bei dem die abgeschiedenen Materialien der jeweiligen Material quelle eben falls kreisförmig äquidistant angeordnet sind, wobei die abgeschiedenen Bereiche hinsicht lich ihrer Materialien in ihrer Anordnung über eine Punktspiegelung durch die Öffnung mit der Anordnung der Materialquellen korrespondieren.
Aufgrund der Dispersion des Materialflusses nach dem Passieren der ersten Öffnung und dem Abstand zwischen der Abschattungsfläche und der Substratoberfläche können die auf der Substratoberfläche abgeschiedenen Bereiche größer sein als die Öffnung. Bei vier ring förmig und äquidistant um die Öffnung angeordneten Materialquellen kann das Abschei dungsmuster beispielsweise einem vierblättrigen Kleeblatt ähneln.
Die Dispersion des Materialflusses, ein Einfallswinkel des Materialflusses auf die erste Öffnung und die Wahl des Abstandes zwischen der Abschattungsfläche und der Substrat oberfläche führen zudem dazu, dass binäre Mischbereiche erzeugbar sind, bei denen sich die abgeschiedenen Bereiche der Materialien der einzelnen Materialquellen an benachbar ten Randbereichen überlappen. Es lässt sich also eine Material Schicht erzeugen, die binäre Mischbereiche der Materialien der jeweils direkt benachbarten Material quellen umfasst. Unter binärer Mischbereich ist im Sinne der Erfindung ein Bereich zu verstehen, der Ma terialien von genau zwei der wenigstens vier Materialquellen umfasst. In der Analogie des vierblättrigen Kleeblattes können sich benachbarte Blätter des vierblättrigen Kleeblattes also jeweils anteilig überlappen.
In der Mitte des Abscheidungsmuster ist zudem ein Bereich erzeugbar, der alle Materialien der Materialquelle umfasst - also bei vier Materialquellen ein quaternärer Mischbereich. Anders formuliert wirkt die erste Öffnung in der Abschattungsfläche auf den Materialfluss analog zu einer Öffnung einer Lochkamera auf das einfallende Licht. Der beschriebene Ab Scheidevorgang und der Effekt der ersten Öffnung lässt sich zudem mit einem Lackie rungsvorgang mit vier Sprühdosen gleichzeitig durch eine Schablone mit einer Öffnung versinnbildlichen, wobei die Schablone in einem Abstand zur zu lackierenden Fläche an geordnet ist und der Farbstrahl eine Winkelverteilung der gesprühten Farbe aufweist. Über die Form und Größe der Öffnung, über den Abstand zwischen Abschattungsfläche und Substratoberfläche, sowie über die Anordnung der Materialquellen lässt sich das durch den Materialabscheidungsschritt auf der Substratoberfläche erzeugbare Abscheidungsmuster beeinflussen. Die erste Öffnung und die Punkspiegelung an der ersten Öffnung ermögli chen also binäre Mischbereiche von Materialien direkt benachbarter Materialquellen zu erzeugen, die erste Öffnung ermöglicht aber nicht eine Material Schicht zu erzeugen, bei der binäre Mischbereiche von Materialien nicht direkt benachbarter Materialquellen vor handen sind.
Die zweite Öffnung in der Abschattungsfläche und die in Bezug auf die Öffnungen durch gehende Kavität führt nun dazu, dass das oben beschriebene Abscheidungsmuster ein wei teres Mal auf der Substratoberfläche entsteht und zwar örtlich versetzt zu dem von der ersten Öffnung hervorgerufenen Abscheidungsmuster. Jede weitere Öffnung führt eben falls dazu, dass sich das Abscheidungsmuster ein weiteres Mal auf der Substratoberfläche örtlich versetzt wiederholt. Die Anordnung und Ausgestaltung der wenigstens zwei Öff nungen zueinander ist insbesondere derart gewählt, dass sich das Abscheidungsmuster der ersten Öffnung an Randbereichen, bei denen aufgrund der ersten Öffnung keine binären Mischbereiche entstanden sind, mit dem Ab scheidungsmuster der zweiten und/oder wei teren Öffnung überlagert und zwar bei Materialien von nicht direkt benachbarten Materi alquellen. Derart lässt sich über einen Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht erzeugen, die nicht nur binäre Mischbereiche von Materialien direkt benachbarter Materi alquellen aufweist, sondern auch binäre Mischbereiche von Materialien nicht direkt be nachbarter Material quellen. In anderen Worten und geometrisch gesprochen wird an jeder Öffnung ein Abscheidungsmuster der Materialien erzeugt, das einer Punktspiegelung der Material quellen durch die jeweilige Öffnung entspricht. Da beim Materialabscheidungs schritt ein gleichzeitiger Materialfluss aller Materialquellen durch die wenigstens zwei Öffnungen erzeugt wird und bezogen auf die Öffnungen eine durchgehende Kavität vor handen ist, ist auf der Substratoberfläche für jede vorhandene Öffnung ein Abscheidungsmuster erzeugbar, wobei die Abscheidungsmuster über eine Translation in einander überführbar sind.
Bevorzugt ist also vorgesehen, dass die Materialquellen und die wenigstens zwei Öffnun gen der Abschattungsfläche derart zueinander angeordnet sind, dass die Materialquellen einen gemeinsamen Fokuspunkt bei den wenigstens zwei Öffnungen aufweisen. Durch die wenigstens zwei Öffnungen in der Abschattungsfläche wird der Materialfluss der Materi alquellen lokal separiert und/oder kontrolliert überlagert. Besonderes bevorzugt ist vorge sehen, dass die wenigstens zwei Öffnungen derart ausgestaltet sind und derart zueinander angeordnet sind, dass sich das von jeder Öffnung erzeugte Abscheidungsmuster mit einem Abscheidungsmuster einer benachbarten Öffnung überlagert.
Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen also durch einen einzigen Materialab- scheidungsschritt - sprich, ohne dass die Anordnung der Materialquellen zueinander ge ändert werden müsste und/oder dass die Anordnung der Abschattungsmaske und des Sub strates zueinander verändert werden müsste - eine Material Schicht auf der Substratoberfläche zu erzeugen, die zusätzlich zu den binären Mischbereichen von Mate rialien direkt zueinander benachbarter Material quellen auch binäre Mischbereiche von Ma terialien nicht direkt zueinander benachbarter Materialquellen umfasst. In anderen Worten erlauben die Vorrichtung und das Verfahren, auf der Substratoberfläche in einem Materi- alabscheidungsschritt eine Materialschicht mit binären Mischbereichen von Materialien der Material quellen zu erzeugen, deren Material quellen nicht direkt zueinander benachbart sind. Zudem muss die Abschattungsmaske während des Verfahrens nicht verschoben wer den.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitgestellten Substrates und der Abschattungsfläche, die Anordnung und Ausgestaltung der Öffnungen in der Abschattungsfläche und die Anord nung der Material quellen derart sind, dass auf der Substratoberfläche in einem Material - abscheidungsschritt eine Material Schicht mit multinären Mischbereichen erzeugbar ist, die in den multinären Mischbereichen ein sich örtlich veränderndes Verhältnis der Materialien der Material quellen zueinander aufweist. Es ist mittels der Vorrichtung und des Verfahrens also bevorzugt möglich, nicht nur binäre Mischbereiche zu erzeugen, sondern auch Mischbereiche mit mehr als zwei Komponenten. Bevorzugt lassen sich alle kombinato risch möglichen multinären Mischbereiche erzeugen, also bei vier Material quellen, binäre, ternäre und quarternäre Mischbereiche. Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass die multinä ren Mischbereiche ein sich bezogen auf die Substrat Oberfläche örtlich veränderndes Ver hältnis der Materialien der Materialquellen zueinander aufweisen. Somit kann der gesamte Abdeckungsbereich der möglichen prozentualen Zusammensetzungen multinärer Materi alsysteme in einem einzigen Materialabscheidungsschritt erzeugt werden. Bevorzugt ist derart eine 100% Abdeckung des Mischungsraumes in multinären Materialsystemen mit bis zu 20 Materialquellen möglich.
Die mittels der Vorrichtung und durch das Verfahren erzeugten Materialschichten weisen bevorzugt eine kontrollierte Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung auf der Mik rometerskala auf. Dies ermöglicht die Materialschichten mittels geeigneter ortsauflösender Analysetechniken - beispielsweise Rastersonden-Mikroskopie-Verfahren oder elektro nenmikroskopischer Verfahren - hinsichtlich verschiedener Eigenschaften zu charakteri sieren. Aufgrund der Änderung der chemischen Zusammensetzung auf der Mikrome terskala können Mikroskopietechniken im Hochdurchsatzverfahren verwendet werden, so dass die Dauer der Charakterisierung der Material schichten reduziert werden kann. Dies erlaubt große Materialbibliotheken zu erstellen.
Bei der Vorrichtung kann es sich grundsätzlich um jede Vorrichtung handeln, mittels derer sich durch einen Materialfluss von den Materialquellen eine Material Schicht auf einer Sub stratoberfläche abscheiden lässt, beispielsweise eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung oder eine Spray-Coating-Vorrichtung. Bevorzugt handelt es sich um eine Vorrichtung die dazu ausgestaltet ist, eine physikalische Gasphasenabscheidung durchzuführen (physical vapour deposition , PVD).
Die Vorrichtung umfasst die Substrathalterung, die dazu ausgestaltet ist, das Substrat mit der Substratoberfläche bereitzustellen. Bei der Substrathalterung kann es sich um eine plane Fläche der Vorrichtung handeln, auf der das Substrat aufliegen kann. Zudem umfasst die Vorrichtung die Materialquelleneinrichtung mit den wenigstens vier Materialquellen. Die Materialquelleneinrichtung ist dazu ausgestaltet, den Materialfluss von den Material quellen in Richtung der Substratoberfläche zu erzeugen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Materialquelleneinrichtung dazu ausgestaltet ist, die Materialien der Materialquellen in die Gasphase zu überführen. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Materialquellen einrichtung dazu ausgestaltet von allen Materialquellen gleichzeitig einen Materialfluss zu erzeugen. Zudem ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass die Materialquelleneinrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Materialfluss von allen Materialquellen erzeugbar ist, der einen Fokus auf den Öffnungen der Abschattungsfläche aufweist.
Im Hinblick auf den erzeugbaren Materialfluss ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass der von der Materialquelleneinrichtung erzeugbare Materialfluss einer Materialquelle eine winkelabhängige Verteilungsfunktion mit einem Schwerpunkt orthogonal zur Material- quellenoberfläche aufweist.
Bei den Material quellen kann es sich grundsätzlich um jedes Material handeln, also auch um ein Material, das mehrere chemische Elemente umfasst, wie beispielsweise eine Le gierung aus Kupfer und Eisen. Es ist aber auch möglich, dass die Material quelle ein Ma terial aus lediglich einem Element aufweist, beispielsweise reines Platin. Die wenigstens vier Materialquellen können grundsätzlich die gleichen Materialien aufweisen. Bevorzugt ist aber vorgesehen, dass die Materialquellen zueinander unterschiedliche Materialien auf weisen. Derart lassen sich Materialschichten mit sich verändernder chemischer Zusam mensetzung erzeugen. Die Art des Materials der Materialquelle beeinflusst zudem die Winkelverteilung des Materialflusses der Material quelle. Die Winkelverteilung des Mate rialflusses beeinflusst wiederrum die Dispersion des Materialflusses nach dem Passieren der Öffnungen.
Die Materialquellen sind bezogen auf die Öffnungen in der Abschattungsfläche nebenei nander angeordnet. Nebeneinander bedeutet im Sinne der Erfindung, dass betrachtet von jeweils einer der Öffnungen in der Abschattungsfläche die Material quellen nicht derart hintereinander angeordnet sind, dass der Materialfluss einer Material quelle in Richtung der Öffnung durch eine weitere Materialquelle unterbrochen wäre. Stattdessen sind die Material quellen derart nebeneinander angeordnet, dass von jeder Material quelle ein Mate rialfluss in Richtung aller Öffnungen erzeugbar ist, der nicht von einer anderen Material quelle unterbrochen wird. Dies stellt sicher, dass beim gleichzeitigen Erzeugen eines Ma terialflusses aller Materialquellen in Richtung der Öffnungen sich die Materialflüsse der einzelnen Materialquellen miteinander mischen können. Hinsichtlich der Anordnung der Materialquellen ist es beispielsweise möglich, dass die Materialquellen in einer Reihe ne beneinander neben den Öffnungen angeordnet sind oder ringförmig um die Öffnungen herum.
Die Abschattungsmaske weist die Abschattungsfläche auf. Bevorzugt ist die Abschat- tungsfläche planar und weist die wenigstens zwei Öffnungen auf. Weiter bevorzugt ist die Abschattungsmaske derart ausgestaltet, dass durch die Abschattungsmaske sichergestellt wird, dass ein Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Abschattungsfläche vor handen ist. Weiter bevorzugt ist die Abschattungsfläche parallel zur Substratoberfläche anordnenbar und/oder angeordnet. Bei der Abschattungsmaske kann es sich beispielsweise um eine Scheibe aus Blech handeln, die mittels eines Ständers über der Substratoberfläche platziert wird. Alternativ kann die Abschattungsmaske Abstandshalter umfassen, mittels denen sie direkt auf der Substratoberfläche platzierbar ist und/oder platziert ist, wobei die Abstandshalter sicher stellen, dass der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Abschattungsfläche vorhanden ist. Zudem ist vorgesehen, dass die Abschattungsmaske derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Substrat Oberfläche und der Abschattungsfläche die in Bezug auf die Öffnungen durchgehende Kavität vorhanden ist. In anderen Worten weist die Abschattungsmaske keine Zwischenwände oder dergleichen zwischen den Öff nungen auf, die den Raum zwischen der Abschattungsfläche und der Substratoberfläche in mehrere Kompartimente teilen könnten. Stattdessen ist der Raum zwischen der Abschat- tungsfläche und der Substratoberfläche eine durchgehende Kavität.
Hinsichtlich der Anordnung der Materialquellen ist gemäß einer bevorzugten Weiterbil dung der Erfindung vorgesehen, dass die Material quellen entlang eines Ringes um die Öff nungen der Abschattungsfläche anordnenbar sind und/oder angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Öffnungen in der Abschattungsfläche auf der Substratoberflä che durch den Materialabscheidungsschritt ein Abscheidungsmuster der Materialien pro Öffnung entsteht, bei dem die Materialien der jeweiligen Material quellen ebenfalls ring förmig um die jeweilige Öffnung angeordnet sind. Die ringförmige Anordnung der Mate rialquellen macht es somit besonders einfach, die zweite Öffnung derart zur ersten Öffnung der Abschattungsfläche anzuordnen, dass sich das Ab scheidungsmuster der ersten Öffnung an Randbereichen, bei denen aufgrund der ersten Öffnung keine binären Mischbereiche entstanden sind, mit dem Abscheidungsmuster der zweiten Öffnung bei Materialien von nicht direkt benachbarten Materialquellen überlagert. Bei der ringförmigen Anordnung kann es sich um eine kreisförmige oder ovale Anordnung handeln. Die wenigstens zwei Öffnungen können sich im Mittelpunkt der kreisförmigen Anordnung der Materialquellen oder versetzt dazu befinden. Bevorzugt sind die Materialquellen kreisförmig konzentrisch um die wenigstens zwei Öffnungen anordnenbar und/oder angeordnet.
Besonderes bevorzugt ist in diesem Zusammenhang gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Materialquellen äquidistant um die Öffnungen der Ab- schattungsfläche anordnenbar sind und/oder angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Materialquellen ringförmig und äquidistant um die Öffnungen der Abschattungs- fläche anordnenbar sind und/oder angeordnet sind. Somit sind in der erzeugbaren Materi alschicht auch die Materialien der Material quellen im Abscheidungsmuster äquidistant und besonderes bevorzugt ringförmig und äquidistant angeordnet. Derart lässt sich besonders einfach die zwei-dimensionale Substratoberfläche mit Abscheidungsmustern füllen, die derart angeordnet sind, dass sich ein Abscheidungsmuster einer Öffnung jeweils mit einem Abscheidungsmuster einer benachbarten Öffnung überlagert.
In Bezug auf die Anordnung der Materialquellen und einen Einfallwinkel des Material flusses durch die Öffnungen ist besonderes bevorzugt vorgesehen, dass die Materialquel len, die Abschattungsmaske und das in der Substrathalterung bereitgestellte Substrat derart zueinander angeordnet sind, dass der von der Materialquelleneinrichtung erzeugte Materi alfluss jeder Materialquelle alle Öffnungen in der Abschattungsfläche mit einem Winkel zwischen 20 und 90 Grad, besonders bevorzugt mit einem Winkel zwischen 20 und 70 Grad passiert. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise, dass sich in der erzeugbaren Material Schicht die Abscheidungsmuster benachbarter Öffnungen überlagern. Unter Ein fallswinkel des Materialflusses auf die Öffnung ist der folgende Winkel gemeint: Ausge hend von der Materialquelle entlang des Materialflusses bis zu den Öffnungen in der Ab- schattungsfläche und dann entlang der Ebene der Abschattungsfläche in die dem Materialfluss entgegengesetzte Richtung.
Im Hinblick darauf, durch einen Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht zu er zeugen, die in mehreren Bereichen die gleichen multinären Mischungen der Materialien der Materialquelle aufweist, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Öffnungen in der Abschattungsfläche rotationssymmetrisch angeordnet sind. Bei spielsweise können vier Öffnungen derart angeordnet werden, dass sich drei der vier Öff nungen in einem gleichseitigen Dreieck um die vierte Öffnung herum gruppieren. Alter nativ können die vier Öffnungen in der Form eines Quadrates angeordnet werden. Bei sechs Öffnungen sind fünf Öffnungen bevorzugt in Form eines Pentagons um die sechste Öffnung herum angeordnet. Derart ist eine Materialschicht erzeugbar, die in mehreren Be reichen die gleichen multinären Mischungen der Materialien der Material quelle aufweist, also beispielsweise mehrere binäre Mischbereiche der gleichartigen Komponenten um fasst. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine anschließende Analyse der Material schicht vorteilhaft, da sich derart die Analyseergebnisse innerhalb einer Materialschicht wiederholen und somit innerhalb der gleichen Material Schicht überprüfbar sind.
Die Öffnungen in der Abschattungsfläche können grundsätzlich jede beliebige Form an nehmen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Öffnungen in der Abschattungsflä- che kreisförmig sind. Kreisförmige Öffnungen lassen sich besonders einfach hersteilen und erlauben zudem besonders einfach eine Anordnung bei der sich die Abscheidungsmuster benachbarter Öffnungen überlagern.
Ein Abstand zwischen zwei benachbarten Öffnungen kann grundsätzlich für alle Öffnun gen in der Abschattungsfläche gleich sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Ab stand zwischen zwei benachbarten Öffnungen in der Abschattungsfläche unterschiedlich ist.
Die Öffnungen können zudem alle die gleiche Größe aufweisen. Bei kreisförmigen Öff nungen ist es also möglich, dass alle Öffnungen den gleichen Durchmesser aufweisen. Be vorzugt ist allerdings vorgesehen, dass benachbarte Öffnungen in der Abschattungsfläche unterschiedlich sind. Dies erlaubt, den Materialfluss der verschiedenen Materialquellen spezifisch zu separieren und/oder zu überlagern, so dass Zusammensetzungsbereiche der Materialien der Materialquellen, die von besonderem Interesse sind, einen größeren Be reich auf der abgeschiedenen Materialschicht ausmachen als Zusammensetzungsbereiche, die von geringem Interesse sind. Wie bereits erwähnt lassen sich mittels der Vorrichtung und durch das Verfahren Materi alschichten erzeugen, die bevorzugt eine kontrollierte Änderung ihrer chemischen Zusam mensetzung auf der Mikrometerskala aufweisen. In diesem Zusammenhang ist gemäß ei ner bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Öffnungen in der Abschattungsfläche eine Dimension von 0,5 gm bis 20000 gm haben. Besonders bevor zugt haben die Öffnungen eine Dimension von 0,5 gm bis 500 gm. Mit Dimension ist vorliegend die längste gerade Strecke, die zwei Randpunkte einer Öffnung miteinander verbindet, gemeint. Bei kreisförmigen Öffnungen ist also der Durchmesser bevorzugt 0,5 gm bis 20000 gm, besonders bevorzugt 0,5 gm bis 500 gm. Bei rechteckförmigen Öffnungen ist bevorzugt die Diagonale 0,5 bis 20000 gm, besonders bevorzugt 0,5 gm bis 500 gm lang. Insbesondere wenn die Abschattungsmaske durch ein lithographisches Ver fahren auf der Substratoberfläche aufgebracht wird, weisen die Öffnungen bevorzugt eine Dimension von 0,5 gm bis 500 gm auf. Bevorzugt handelt es sich bei der Abschattungs maske also um eine mikroskalige Abschattungsmaske.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitgestellten Substrates und der Abschattungsfläche zwischen 0,5 gm und 20000 gm, besonders bevor zugt zwischen 0,5 gm und 500 gm beträgt. Mit einem solchen Abstand lassen sich beson ders einfach die beschriebenen Abscheidungsmuster erzeugen, bei denen sich die Abschei dungsmuster benachbarter Öffnungen überlagern. Insbesondere wenn die Abschattungsmaske durch ein lithographisches Verfahren auf der Substratoberfläche auf gebracht wird, beträgt der Abstand zwischen der Substratoberfläche des in der Substrat halterung bereitgestellten Substrates und der Abschattungsfläche zwischen 0,5 gm und 500 gm.
Grundsätzlich kann die Abschattungsfläche zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder beliebig viele Öffnungen umfassen. Im Hinblick die Erzeugung von Materialschichten, die bei multinären Materialsystemen eine 100% Abdeckung der möglichen Zusammensetzun gen erlauben, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anzahl Öffnungen in der Abschattungs fläche auf die Anzahl an Materialquellen abgestimmt ist. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Anzahl Öff nungen in der Abschattungsfläche an die Anzahl Materialquellen derart angepasst ist, dass die Abschattungsfläche wenigstens eine Öffnung mehr umfasst, als Materialquellen vor handen sind. Bei vier Materialquellen weist die Abschattungsfläche also bevorzugt we nigstens fünf Öffnungen auf. Bei fünf Materialquellen weist die Abschattungsfläche ent sprechend bevorzugt wenigstens sechs Öffnungen auf.
Bezüglich der Ausgestaltung der Abschattungsmaske und wie bereits erwähnt, kann es sich bei der Abschattungsmaske beispielsweise um eine Blechscheibe handeln, die mittels eines Ständers über der Substratoberfläche platziert wird. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Abschattungsmaske mittels lithographischer Verfahren auf der Substratoberfläche aufgebracht ist. In anderen Worten, wird also bevorzugt die Abschattungsmaske direkt auf der Substratoberfläche mittels lithographischer Verfahren hergestellt, bevor die Materia- schicht auf der derart maskierten Substratoberfläche abgeschieden wird. Das Aufbringen der Abschattungsmaske mittels lithographischer Verfahren auf der Substratoberfläche hat den Vorteil, dass sich die Maske in Bezug zur Substratoberfläche nicht verschieben kann. Bevorzugt wird die Abschattungsmaske mittels eines Ufl-off Verfahrens hergestellt, bei der eine Opferschicht verwendet wird, die zunächst jene Bereiche bedeckt, die später die Öffnungen in der Abschattungsfläche werden. Weiter bevorzugt wird die bezogen auf die Öffnungen durchgehende Kavität mittels eines undercut erzielt.
In diesem Zusammenhang ist hinsichtlich des Verfahrens bevorzugt vorgesehen, dass der Schritt Anordnen der Materialquellen, der Abschattungsmaske und des Substrates derart, dass die Materialquellen bezogen auf die Öffnungen in der Abschattungsfläche nebenei nander sind und dass der von der Materialquelleneinrichtung erzeugte Materialfluss aller Materialquellen alle Öffnungen in der Abschattungsfläche passiert, ein Aufbringen der Abschattungsmaske auf der Substratoberfläche mittels lithographischer Verfahren um fasst. Dies ermöglicht auf besonderes einfache Art eine mikroskalige Abschattungsmaske bereitzustellen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Material Schicht auf einer Substratoberfläche, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Abschattungsmaske der Vorrich tung aus Figur 1, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er findung,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung der Abschattungsmaske aus Figur 2 entlang der Linie A-A,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Materialquellen um eine Öffnung einer Abschattungsmaske, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abscheidungsmusters der Materi alien der Materialquelle, das mit der Abschattungsmaske aus Figur 2 und der Anordnung der Materialquellen aus Figur 4 erzeugbar ist, ge mäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 schematische Darstellungen möglicher Ab scheidungsmuster der Ab schattungsmaske aus Figur 2, gemäß einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung, und Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Lichtmikroskop-Aufnahme einer mittels der Abschattungsmaske aus Figur 2 erzeugten Material Schicht, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur la zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Erzeugen einer Material Schicht 12 auf einer Substratoberfläche 14 eines Substrates 16, gemäß einer be vorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine lediglich schematisch angedeutete Substrathalterung 18, die dazu ausgestaltet ist, das Substrat 16 bereitzustellen. Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Material quelleneinrichtung 20 mit wenigstens vier Materialquellen 22 - vorliegend sind es fünf Materialquellen 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, wobei davon in Figur la der Übersicht halber lediglich zwei Material quellen 22a, 22b gezeigt sind. Die Materialquelleneinrichtung 20 ist derart ausgestaltet, dass ein Materialfluss 24 - der in Figur 1 schematisch mit Pfeilen 24 illustriert ist - von den Mate rialquellen 22 in Richtung der Substratoberfläche 14 des Substrates 16 erzeugbar ist.
Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Abschattungsmaske 26, die eine Abschat- tungsfläche 28 mit wenigstens zwei Öffnungen 30a, 30b umfasst, wobei davon in Figur 1 lediglich die erste Öffnung 30a zu sehen ist. Die Abschattungsmaske 26 der Vorrichtung 10 ist zudem in Figur 2 gezeigt, bei der gut erkennbar ist, dass die Abschattungsmaske 26 wenigstens zwei Öffnungen 30a, 30b umfasst. Figur 2 zeigt die Abschattungsmaske 26 von oben, wie sie auf der Substratoberfläche 14 liegt, so dass durch die Öffnungen 30 der Abschattungsmaske 26 auch die Substratoberfläche 14 ersichtlich ist. Zudem zeigt Figur 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der in Figur 2 gezeigten Abschattungsmaske 26. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Abschattungsmaske 26 sechs Öff nungen 30a, 30b, 30c 30d, 30e, 30f. Die sechs Öffnungen 30 sind vorliegend alle kreisför mig ausgestaltet und weisen alle den gleichen Durchmesser 31 auf, nämlich 10 pm. Die Anordnung der Öffnungen 30 der Abschattungsmaske 26 in der Abschattungsfläche 28 ist vorliegend rotationsymmetrisch, wobei fünf der sechs Öffnungen 30 in einem gleichseiti gen Pentagon um die sechste Öffnung 30a angeordnet sind. Bei der vorliegenden Abschat tungsmaske 26 weist zudem die Strecke zwischen Mittelpunkten zweier benachbarter Öff nungen 30 eine Länge von 20 pm auf.
Die Abschattungsmaske 26 ist in den vorliegenden Ausführungsbeispielen mittels litho graphischer Verfahren direkt auf der Substratoberfläche 14 aufgebracht. Zudem ist die Ab schattungsmaske 26 derart ausgestaltet, dass zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsfläche 28 ein Abstand 32 ist. Der Abstand 32 zwischen der Substratoberflä che 14 und der Abschattungsfläche 28 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 10 pm. Weiterhin ist - was in Figur 3 am besten zu erkennen ist - die Abschattungsmaske 26 derart ausgestaltet, dass zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsflä- che 28 eine in Bezug auf die Öffnungen 30 durchgehende Kavität 34 vorhanden ist. In Figur 1 ist besonders gut zu erkennen, dass die Materialquellen 22, die Abschattungs maske 26 und das in der Substrathalterung 18 bereitgestellte Substrat 16 derart zueinander angeordnet sind, dass die Material quellen 22 bezogen auf die Öffnungen 30 in der Ab- schattungsfläche 26 nebeneinander sind, also dass der Materialfluss 24a einer Material quelle 22a in Richtung der Öffnung 30 nicht durch die weitere Material quelle 22b unter brochen wird. Stattdessen mischen sich die Materialflüsse 24a und 24b der Materialquellen 22a und 22b auf ihrem Weg in Richtung der Öffnung 30. Zudem sind die Materialquellen 22 derart angeordnet, dass der von der Materialquelleneinrichtung 20 erzeugte Material fluss 24 aller Material quellen 22 die Öffnungen 30 mit einem Einfallwinkel 36, vorliegend 45 Grad, passiert.
Die Anordnung der fünf Material quellen 22 in Bezug zur Abschattungsmaske 26 und zum Substrat 16 ist zudem in Figur 4 aus einer anderen Perspektive, nämlich von Oben mit Sicht auf die Substratfläche 14 bzw. die Abschattungsmaske 26 gezeigt. Figur 4 zeigt, dass in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Materialquellen 22 äquidistant und ring förmig um die Öffnungen 30 der Abschattungsmaske 26 angeordnet sind. Übersichtshalber ist in Figur 4 lediglich die mittlere Öffnung 30a der sechs Öffnungen 30 der Abschattungs maske aus Figur 2 gezeigt. Die in Figur 1 gezeigten Materialquellen 22a und 22b sind also in der ringförmigen Anordnung direkt zueinander benachbart.
Wie in Figur 5 illustriert ist, ist der Abstand 32 zwischen der Substratoberfläche 14 des Substrates 16 und der Abschattungsfläche 28, die Anordnung und Ausgestaltung der Öff nungen 30 und die Anordnung der Materialquellen 22 derart, dass auf der Substratoberflä che 14 mittels der Vorrichtung 10 in einem Materialabscheidungsschritt eine Material schicht 12 mit binären Mischungen 38, 40 von Materialien 42 der Materialquellen 22 erzeugbar ist, die mehr als diejenigen binären Mischungen 38, 40 der Materialien 42 der Materialquellen 22 aufweist, die bezogen auf die Anordnung der Materialquellen 22 zuei nander direkt benachbart sind.
Dies lässt sich an Figur 5 am besten schrittweise erläutern, indem zuerst der Effekt ledig lich einer Öffnung 30a der Abschattungsmaske 26 betrachtet wird, wie in Figur. 5a darge stellt. Aufgrund der ersten Öffnung 30a in der Abschattungsmaske 26, des Abstandes 32 zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsfläche 28, und der Anordnung der Materialquellen 22 wie sie in Figur 4 gezeigt ist, entsteht auf der Substratoberfläche 14 durch den Materialabscheidungsschritt durch die erste Öffnung 30a ein Abscheidungs muster 44 der Materialien 42, das zur Anordnung der Materialquellen 22 korrespondiert, wobei die Anordnung der abgeschiedenen Materialien 42a, 42b, 42c, 42d, 42e mit der An ordnung der Material quellen 22a, 22b, 22c, 22d, 22e über eine Punktsymmetrie-Operation durch die erste Öffnung 30a verbunden ist. Aufgrund des Einfallwinkels 36 von 45 Grad, mit dem der Materialfluss 24 die Öffnung 30a passiert und aufgrund des Abstandes 32 haben die abgeschiedenen Bereiche 46 eines Materials 42 jeweils einer Materialquelle 22 eine ovale Form. Zudem überlappen sich die Bereiche 46 jeweils an den Randbereichen, so dass dort binäre Mischbereiche 38 entstehen. Diese binären Mischbereiche 38 sind je weils von Materialien 42 der Materialquellen 22 erzeugt, die direkt zueinander benachbart sind. Beispielsweise ist der in Figur 5a eingezeichnete binäre Mischbereich 38 von den Materialien 42d und 42e, die den Materialquellen 22d und 22e entstammen, wobei aus Figur 4 hervorgeht, dass die Materialquellen 22d und 22e direkt zueinander benachbart sind. Durch die eine Öffnung 30a entsteht also kein binärer Mischbereich 40 von Materia lien 42, deren Materialquellen nicht direkt zueinander benachbart sind. Beispielsweise ist im Abscheidungsmuster 44 der Figur 5a kein binärer Mischbereich 40 der Materialien 42a und 42c oder kein binärer Mischbereich 40 der Materialien 42c und 42e vorhanden.
Figur 5b illustriert den Effekt der zweiten Öffnung 30b auf die abgeschiedene Material schicht 12. Durch die zweite Öffnung 30b wird das in Figur 5a dargestellte Abscheidungs muster 44 einer Öffnung 30 lokal versetzt repetiert, wobei sich die beiden Abscheidungs muster 44 überlagern. Derart entsteht eine Material Schicht 12, die mehr als diejenigen binären Mischbereiche 38, 40 der Materialien 42 der Material quellen 22 aufweist, die be zogen auf die Anordnung der Materialquellen 22 zueinander direkt benachbart sind. Es entstehen nämlich auch binäre Mischbereiche 40 der Materialien 42a und 42c sowie binä rer Mischbereich 40 der Materialien 42c und 42e. Wie aus Figur 4 hervorgeht sind die Materialquellen 22a und 22c sowie 22c und 22e aber nicht direkt benachbart.
Figur 5c illustriert den Effekt aller sechs Öffnungen 30 der Abschattungsmaske 26. Es ist also möglich mit der Abschattungsmaske 26 eine Material Schicht 12 mit einem Abschei dungsmuster 45 zu erzeugen die alle zehn kombinatorisch möglichen binären Mischungen 38, 40 der Materialien 42 der fünf Material quellen 22 aufweist. Also die folgenden binären Kombinationen 38 der Materialien 42 direkt benachbarter Material quellen 22: ab, ae, bc, cd, de. Und die folgenden binären Kombination 40 der Materialien 42 nicht direkt benach barter Materialquellen 22:ac, ad, bd, be, ce. Zudem werden nicht nur binäre Mischbereiche 38, 40 erzeugt, sondern auch ternäre, quaternäre und quinäre. Die gleichartigen Mischbe reiche und insbesondere die gleichartigen binären Mischbereiche 38, 40 werden zudem mehrfach in der Material Schicht 12 erzeugt. Zudem weist die Materialschicht 12 wie im Folgenden ausgeführt innerhalb der multinären Mischbereiche jeweils einen Zusammen setzungsgradienten der Materialien 42 auf.
Die Entstehung multinärer Mischbereiche ist in Figur lb anhand des binären Mischberei ches 38 illustriert. Durch die Anordnung der Material quellen 22 und der Ausgestaltung der Abschattungsmaske 26 lässt sich eine Material Schicht 12 erzeugen, bei der innerhalb der binäre Mischbereiche 38 sich die Anteile der Materialien 42 örtlich verändern. Es wird also eine Material Schicht 12 erzeugt, die in den binären Mischbereichen 38, 40 einen Zu sammensetzungsgradienten der Materialien 42 aufweist. Auch wenn dies in Figur lb an hand von zwei Materialien 42a, 42b direkt benachbarter Materialquellen 22a 22b gezeigt ist, wird auch bei zwei oder mehr Materialien 42, die zudem nicht direkt benachbarter Materialquellen 22 entstammen müssen, ein Zusammensetzungsgradient erzeugt. Durch die Abschattungsmaske 26 aus Figur 2 und der Anordnung der Materialquellen aus Figur 4 ist also wie in Figur 5 illustriert in einem einzigen Materialabscheidungsschritt eine Ma terialschicht 12 erzeugbar, die den gesamten möglichen Mischungsraum des multinären Material Systems abdeckt.
Figur 6 ist eine schematische Darstellung möglicher simulierter Abscheidungsmuster 45 der Abschattungsmaske 26 aus Figur 2, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Abschattungsmaske 26 wirkt mit ihren Öffnungen 30 auf den Materialfluss 24 analog zu einer Öffnung einer Lochkamera auf das einfallende Licht. Über die Form und Größe der sechs Öffnungen 30, über den Abstand zwischen Abschattungsfläche 28 und Substratoberfläche 14, sowie über die Anordnung der Material quellen 22 lassen sich unterschiedliche Abscheidungsmuster 45 erzeugen. Figur 6 zeigt mittels simulierten Ab scheidungsmustern 45 den Effekt eines sich verändernden Abstandes zwischen den Mit telpunkten der Öffnungen 30 in der Abschattungsmaske 26 aus Figur 2 und sich verän derndem Abstand 32 zwischen Substratoberfläche 14 und Abschattungsfläche 28, bei unverändertem Durchmesser 31 der Öffnungen 30, unveränderter Anordnung der Materi alquellen 22 (wie in Figur 4 gezeigt) und unverändertem Einfallwinkel 36 von 45 Grad. In der Simulation wird der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Öffnungen 30 direkt berücksichtigt, während die Änderung des Abstandes 32 zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsfläche 28 über eine sich verändernde Breite einer 2-dimensionalen Gaußverteilung des Abscheidungsprofils des Materialflusses berücksichtigt wird. Auf grund des sich verändernden Abstandes zwischen den Öffnungen 30 und des sich verän dernden Abstandes 32 zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsfläche 28 können die Mischbereiche 38 zwischen den abgeschiedenen Bereichen 46 einer Öffnung 30 und die Mischbereiche 40, die zwischen Abscheidungsmustem 44 benachbarter Öff nungen 30 entstehen, präzise verändert werden. In Figur 6 in Reihe zwei bei den Abschei dungsmustem 45 vier bis sechs ist der Abstand 32 im Vergleich zum Durchmesser 31 der Öffnungen 30 derart gewählt, dass die einzelnen abgeschiedenen Materialien 42 a, b, c, d, e der fünf Material quellen 22 a, b, c, d, e derart stark auseinandergezogen sind, dass sie als einzelne Bereiche im Abscheidungsmuster 45 erkennbar sind, so dass das schon in Figur 5 gezeigte Abscheidungsmuster 44 einer Öffnung als solches sichtbar ist. Im Prinzip ist das Abscheidungsmuster 44 einer Öffnung mit den fünf Materialbereichen in jedem der in Reihe 1 und 2 dargestellten Abscheidungsmuster 45 aller Öffnungen 30 vorhanden, aller dings sind durch Überlagerung die einzelnen Materialbereiche nicht mehr als solche zu erkennen.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtmikroskop-Aufnahme einer mittels der Abschattungsmaske 26 aus Figur 2 und der Vorrichtung 10 aus Figur 1 erzeugten Ma terialschicht 12, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die abgeschie denen Material Schicht 12, die auch als Mikrobibliothek bezeichnet wird, weist örtlich ver ändernde Zusammensetzungsverhältnisse der Materialien 42 der fünf Material quellen 22 auf. Vorliegend wurden als Materialien 42 Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium und Platin verwendet, die auf einem das Substrat 16 bildenden Silizium -Wafer abgeschieden wurden. Die Material Schicht 12 wurde mittels energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX, energy dispersive X-ray spectroscopy) analysiert, um derart die Elementzusammen setzung in der Materialsicht 12 örtlich aufgelöst zu analysieren. Aufgrund des geringen Durchmessers 48 der durch die Abschattungsmaske 26 abgeschiedenen Mikrobibliothek von lediglich 100 pm dauert die EDX- Analyse lediglich 10 bis 20 Minuten. Die in Figur 7 gezeigten Kreise entsprechen Erhöhungen der Material Schicht 12 durch Überlagerung der verschiedenen Materialien 42. Jeder Kreis in Figur 7 entspricht in etwa einer Überla gerung von fünf zweidimensionalen Gaußverteilung der einzelnen abgeschiedenen Mate rialien.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung
12 Material Schicht 14 Substratoberfläche
16 Substrat
18 Sub strathalterung
20 Materialquelleneinrichtung
22 Materialquelle 24 Materialfluss
26 Abschattungsmaske
28 Abschattungsfläche
30 Öffnung
31 Durchmesser 32 Abstand
34 Kavität
36 Einfallwinkel
38 binäre Mischbereiche von Materialien direkt benachbarter Material quellen
40 binäre Mischbereiche von Materialien nicht direkt benachbarter Materialquel- len
42 Material der Materialquelle
44 Abscheidungsmuster einer Öffnung
45 Abscheidungsmuster aller Öffnungen
46 Abscheidungsbereich eines Materials 48 Durchmesser der abgeschiedenen Materialschicht

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zum Erzeugen einer Materialschicht (12) auf einer Substratober fläche (14), umfassend eine Substrathalterung (18) für ein die Substratoberfläche (14) aufweisendes Substrat (16), eine Materialquelleneinrichtung (20) mit wenigs tens vier Materialquellen (22a, 22b, 22c, 22d, 22e), und eine Abschattungsmaske (26), wobei die Materialquelleneinrichtung (20) derart ausgestaltet ist, dass ein Materialfluss (24) von den Materialquellen (22) in Richtung der Substratoberfläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitstellbaren Substrates (16) erzeugbar ist, wobei die Abschattungsmaske (26) eine Abschattungsfläche (28) mit wenigstens zwei Öff nungen (30a, 30b, 30c, 30d, 3 Oe, 30f) umfasst, wobei die Abschattungsmaske (26) derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Substratober fläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitstellbaren Substrates (16) und der Abschattungsfläche (28) ein Abstand (32) ist und, dass zwischen der Substratober fläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitstellbaren Substrates (16) und der Abschattungsfläche (28) eine in Bezug auf die Öffnungen (30) in der Abschattungs- fläche (28) durchgehende Kavität (34) vorhanden ist, wobei die Materialquellen (22) und die Abschattungsmaske (26) derart zueinander ange ordnet sind, dass die Materialquellen (22) bezogen auf die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) nebeneinander sind, wobei die Anordnung der Materialquellen (22), der Abschattungsmaske (26) und der Sub strathalterung (18) zueinander derart ist, dass der von der Materialquelleneinrichtung (20) erzeugbare Materialfluss (24) jeder Material quelle (22) in Richtung der Sub stratoberfläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitstellbaren Substrates (16) alle Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) passiert, und wobei der Abstand (32) zwischen der Substratoberfläche (14) des in der Substrathal terung (18) bereitstellbaren Substrates (16) und der Abschattungsfläche (28), die An ordnung und Ausgestaltung der Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) und die Anordnung der Materialquellen (22) derart sind, dass auf der Substratoberfläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitstellbaren Substrates (16) in einem Ma- terialabscheidungsschritt eine Materialschicht (12) mit binären Mischbereichen (38, 40) von Materialien (42) derjenigen Material quellen (22) erzeugbar ist, die nicht di rekt zueinander benachbart sind.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Material quellen (22) entlang eines Ringes um die Öffnungen (30) der Abschattungsfläche (28) anordnenbar sind und/oder angeordnet sind.
3. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Material quellen äquidistant um die Öffnungen (30) der Abschattungsfläche (28) anordnenbar sind und/oder angeordnet sind.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung der Materialquellen (22), der Abschattungsmaske (26) und der Substrathalterung (18) zueinander derart ist, dass der von der Material quelleneinrichtung (20) erzeug bare Materialfluss (24) jeder Materialquelle (22) alle Öffnungen (30) in der Abschat- tungsfläche (28) mit einem Winkel (36) zwischen 20 und 90 Grad passiert.
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) rotationssymmetrisch angeordnet sind.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) kreisförmig sind.
7. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einander be nachbarte Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) unterschiedlich sind.
8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche eine Dimension von 0,5 pm bis 20000 pm haben und/oder wobei der Abstand (32) zwischen der Substratoberfläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitgestellten Substrates (16) und der Abschattungsfläche (28) 0,5 pm bis 20000 pm ist.
9. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl Öff nungen (30) in der Abschattungsfläche (28) an die Anzahl Materialquellen (22a, 22b, 22c, 22d, 22e) derart angepasst ist, dass die Abschattungsfläche (28) wenigstens eine Öffnung (30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f) mehr umfasst, als Materialquellen (22) vor- handen sind.
10. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschat tungsmaske (26) mittels lithographischer Verfahren auf der Substratoberfläche (14) aufgebracht ist.
11. Verfahren zum Erzeugen einer Materialschicht (12) auf einer Substratoberfläche (14) eines Substrates (16) mittels einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend die Schritte
- Bereitstellen des Substrates (16) in der Substrathalterung (18), und Erzeugen eines gleichzeitigen Materialflusses (24) aller Material quellen (22) in
Richtung der Substratoberfläche (14).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren den Schritt Aufbringen der Ab schattungsmaske (26) auf der Substratoberfläche (14) mittels lithographischer Ver- fahren umfasst.
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