DE10011649C1

DE10011649C1 - Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsystems

Info

Publication number: DE10011649C1
Application number: DE2000111649
Authority: DE
Inventors: Torsten Feigl; Sergey Yulin; Wieland Stoeckl; Norbert Kaiser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2020-02-29

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsystems, bestehend aus mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien, die übereinanderliegend durch Sputtern auf ein Substrat aufgebracht werden, vorgeschlagen. An das Substrat wird eine BIAS-Spannung angelegt, welche während des Aufbringens zumindest einer Schicht in Abhängigkeit von der Dicke dieser Schicht verändert wird. Hierdurch kann erreicht werden, daß einerseits die Interdiffusionszone mit der zuvor gebildeten Schicht möglichst schmal ausgebildet wird, während andererseits am Ende des Schichtbildungsvorgangs eine möglichst glatte Schichtoberfläche erhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Aus mehreren Einzelschichten bestehende Dünnschicht systeme können durch Vakuumabscheidung der Schichtma terialien auf einem Substrat hergestellt werden. Der artige Schichtsysteme werden hauptsächlich durch PVD- Verfahren hergestellt, wobei verschiedenste Technolo gien, wie Sputter-, Verdampfungs- bzw. Laser- Ablations-Verfahren angewendet werden. CVD-Verfahren finden ebenfalls Anwendung bei der Herstellung von Dünnschichtsystemen.

Für viele Anwendungen von Dünnschichtsystemen ist die Qualität der Grenzflächen zwischen jeweils zwei Schichtmaterialien von essentieller Bedeutung. We sentliche Faktoren sind hierbei die Grenzflächenrauheit sowie die vertikale Ausdehnung etwaiger Inter diffusionszonen. Für optische Interferenzschichtsys teme beispielsweise sind zur Erzielung optimaler In terferenzbedingungen möglichst abrupte Übergänge zwi schen jeweils zwei Schichten erforderlich.

Durch Einstellung geeigneter Beschichtungsparameter während der Herstellung der Schichten können Schicht grenzflächen qualitativ beeinflußt werden. So bewirkt das Anlegen einer negativen BIAS-Spannung an einem zu beschichtenden, elektrisch leitfähigen Substrat wäh rend des Sputter-Prozesses den Beschuß der aufwach senden Schicht mit positiv geladenen Sputtergas (z. B. Argon)-Ionen. Dies bewirkt eine Verdichtung der Schichtmaterialien und somit eine Glättung der Schichtoberflächen. Bei zur Diffusion neigenden Schichtmaterialien kann der erhöhte Energieeintrag jedoch auch zu einer verstärkten Interdiffusion und damit zur Ausbildung einer Interdiffusionszone zwi schen jeweils zwei Schichten führen. Derartige Inter diffusionszonen sind oft nur einige Angström dick und können die Eigenschaften von Schichtsystemen, deren Einzelschichtdicken wenige Nanometer betragen, signi fikant verändern.

Ein Beispiel hierfür sind optische Bauelemente für Anwendungen im extremen ultravioletten Spektralbe reich (EUV) mit Wellenlängen zwischen 10 nm und 100 nm. Diese können durch Dünnschichtsysteme realisiert werden, die im allgemeinen aus etwa 40-60 Dünn schichtpaaren mit jeweils einer Dicke von wenigen Nanometern bestehen. Das Reflexionsvermögen derarti ger als Spiegel verwendeter Bauelemente nimmt mit zu nehmender Dicke der Interdiffusionszonen ab. So kann sich für einen aus Mo/Si-Schichtpaaren bestehenden Spiegel die Reflexion von über 70% auf unter 50% verringern, wenn die Dicke der Interdiffusionszone von 0 nm auf 2,5 nm ansteigt.

Untersuchungen an gesputterten Mo/Si-Schichtsystemen zeigten eine Erhöhung der Reflektivität derartiger Spiegel mit zunehmender Energie der Sputtergas-Ionen bis zu einer optimalen Substrat-BIAS-Spannung (S. T. Vernon, D. G. Stearns, R. S. Rosen: Ion-assisted sput ter deposition of molybdenum-silicon multilayers, Appl. Opt., Band 32, Nr. 34, S. 6969-6974, 1993). Eine weitere Erhöhung der Substrat-BIAS-Spannung be wirkt hingegen durch den überkritischen Energieein trag der Sputtergas-Ionen eine signifikante Zunahme der Interdiffusionsschichtdicke und hierdurch eine wieder abnehmende Reflektivität.

Aus der JP 59-17222 A ist ein Verfahren zur Erzeugung eines amorphen magnetischen Mehrschichtfilms auf ei nem Substrat bekannt, dessen magnetische Eigenschaf ten sich über die Filmdicke verändern. Um dies zu er reichen, wird während der Aufbringung des Films die negative Substrat-Vorspannung verändert.

Weiterhin beschreibt die JP 01-52064 A ein Verfahren zur Erzeugung eines Films auf einem Substrat durch Ionenbeschuß. Am Anfang der Beschichtung wird eine negative Vorspannung an das Substrat aufgelegt, um die Ionen stark zu beschleunigen, so daß eine Inter diffusionszone entsteht, die eine starke Bindung zwi schen dem Substrat und dem Film bewirkt. Anschließend wird eine positive Substrat-Vorspannung angelegt, wo durch die Ionen mit geringer Energie auftreffen, so daß eine Schädigung des Films durch die Aufprallener gie niedrig gehalten wird.

Schließlich offenbart die EP 0 284 854 B1 ein Verfah ren zur Herstellung von Mischnitrid-Schichten mit we nigstens zwei Metallen, die einen deutlich unter schiedlichen Schmelzpunkt haben, wobei die Herstel lung der Schichten durch Verdampfen von Kathoden aus vorgegebenen Ausgangslegierungen der Metalle im Lichtbogen unter gleichzeitiger Zuführung von Stick stoff als Reaktionsgas und durch Kondensieren auf ei nem Substrat erfolgt. Durch Veränderung einer an das Substrat angelegten Spannung in Abhängigkeit von der jeweiligen Dicke der Schicht während des Aufwachsens kann die Konzentration der einzelnen Metalle über die Schichtdicke variiert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht systems bestehend aus mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien, die übereinanderlie gend durch Sputtern auf ein Substrat aufgebracht wer den, an welche eine BIAS-Spannung angelegt wird, an zugeben, mit dem einerseits eine Glättung der Schichtoberfläche erzielt wird, andererseits jedoch verhindert wird, daß die Interdiffusionszone eine un erwünscht große Dicke erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Wei terbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß während des Aufbringens zumindest einer Schicht die BIAS-Spannung in Abhängigkeit von der Dicke dieser Schicht verändert wird, ändert sich der durch die auftreffenden Sputtergas-Ionen hervorgeru fene Energieeintrag in Abhängigkeit der Schichtdicke. Es kann somit zu Beginn des Aufwachsens der Schicht die BIAS-Spannung so eingestellt werden, daß die In terdiffusionszone möglichst schmal ausgebildet wird, wohingegen während des Aufwachsens des letzten Schichtabschnitts die BIAS-Spannung so verändert wird, daß eine möglichst glatte Schichtoberfläche er halten wird. Eine Erhöhung der negativen Substrat- BIAS-Spannung bewirkt somit einen sich mit wachsender Schichtdicke verstärkenden Sputtergas-Ionenbeschuß und folglich eine gezielte Schichtglättung am Ende des Schichtwachstumsprozesses. Eine Verbreiterung der Interdiffusionszone aufgrund eines erhöhten Sputter gas-Ionenbeschusses findet dagegen wegen des geringen oder gänzlich fehlenden Energieeintrages zu Beginn des Schichtwachstumsprozesses nicht statt.

Die Realisierung des Sputtern von Schichtsystemen mit schichtdickenabhängiger Substrat-BIAS-Spannung ist abhängig von den steuerungstechnischen Möglichkeiten eines Sputtersystems sowie von der verfolgten Ziel stellung. Die schichtdickenabhängige Veränderung der Substrat-BIAS-Spannung für die Herstellung eines aus mehreren Einzelschichten bestehenden Schichtsystems kann durch kontinuierliche Variation der Substrat- BIAS-Spannung während des Schichtwachstums oder durch Sputtern einer Einzelschicht in mehreren Stufen unter Nutzung einer jeweils veränderten Substrat-BIAS- Spannung erfolgen.

Zur Prüfung von Schichtsystemen mit schichtdickenab hängiger Substrat-BIAS-Spannung während des Sputterns wurden Mo/Si-Spiegel derart realisiert, daß die Mo lybdän-Schicht in jeweils zwei Schritten abgeschieden wurde. Während der Bildung der ersten Schichthälfte wurde kein zusätzlicher Sputtergas-Ionen-Beschuß durchgeführt (U_BIAS = 0 V), wohingegen während der Bildung der zweiten Schichthälfte das Molybdän zur Schichtglättung unter einen Beschuß mit Sputtergas- Ionen von vergleichsweise hoher Energie (U_BIAS = -200 V) abgeschieden wurde. Der Beschichtungsprozeß war durch folgende Parameter charakterisiert:
Anzahl der Mo/Si-Schichtpaare: 40
Substrat: Si-(111)-Wafer
Arbeitsgas: Argon
Arbeitsdruck: 0,266 Pa
Sputterleistung Molybdän: 150 W
Sputterleistung Silizium: 200 W
Sputterrate Molybdän: 0,55 nm/s
Sputterrate Silizium: 0,50 nm/s
Substrat-BIAS-Spannung Molybdän: 0 V/-200 V
Substrat-BIAS-Spannung Silizium: -75 V

Die erzielte Dicke eines Schichtpaares betrug etwa 6,8 nm. Die maximal gemessene Reflexion eines derart hergestellten Mo/Si-Spiegels betrug R = 63,5% bei 12,9 nm Wellenlänge. Die maximale Reflexion eines mit optimaler konstanter Substrat-BIAS-Spannung herge stellten Mo/Si-Spiegels betrug R = 60,6% bei 13,2 nm Wellenlänge. Durch Verwendung einer schichtdickenab hängigen Substrat-BIAS-Spannung konnte die Reflekti vität somit um 4,8% gesteigert werden. Dabei wurde festgestellt, daß die Veränderung der Substrat-BIAS- Spannung während des Aufwachsens der Molybdän-Schicht eine stärkere Zunahme der Reflektivität bewirkte als eine derartige Veränderung während des Aufwachsens der Siliziumschicht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht systems bestehend aus mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien, die überein anderliegend durch Sputtern auf ein Substrat aufgebracht werden, an welches eine BIAS- Spannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Aufbringens zumindest einer Schicht die BIAS-Spannung in Abhängigkeit von der Dicke dieser Schicht verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die BIAS-Spannung kontinuierlich verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die BIAS-Spannung stufenweise verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die BIAS-Spannung mit zunehmender Schicht dicke in negativer Richtung erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schichtsystem mit einer Vielzahl über einanderliegender Schichtpaare hergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Schichtpaare im Bereich von 40-60 liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten eines Paares aus Molybdän und Silizium bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die BIAS-Spannung beim Aufbringen der Mo lybdänschicht verändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke eines Schichtpaares etwa 6,8 nm beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß die BIAS-Spannung zwischen 0 V und -200 V verändert wird.