DE102021113282A1

DE102021113282A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche aus mehreren Materialquellen

Info

Publication number: DE102021113282A1
Application number: DE102021113282.7A
Authority: DE
Inventors: Lars Banko; Alfred Ludwig; Wolfgang Schuhmann
Original assignee: Ruhr Univ Bochum Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Ruhr Universitaet Bochum Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Ruhr Univ Bochum Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Ruhr Universitaet Bochum Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2022-11-24
Also published as: WO2022243544A1

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

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche, umfassend eine Substrathalterung für ein die Substratoberfläche aufweisendes Substrat, eine Materialquelleneinrichtung mit wenigstens vier Materialquellen und eine Abschattungsmaske.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche eines Substrates mittels der obigen Vorrichtung.
Die Erforschung von Materialeigenschaften in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung erfordert die Synthese einer hohen Anzahl von Materialproben deren primäres Merkmal die chemische Zusammensetzung ist.
In vielkomponentigen (multinären) Materialsystemen ist die Anzahl der möglichen prozentualen Kombinationen der im Materialsystem enthaltenen Komponenten gegeben durch die Formel: (n+r-1)!/(r!(n-1)!, wobei n die Anzahl unterschiedlicher Komponenten im Materialsystem und r die Schrittweite der prozentualen chemischen Zusammensetzung ist. In einem zweikomponentigen (binären) Materialsystem ergeben sich beispielsweise bei einer Schrittweite von 1% 101 mögliche chemische Zusammensetzungen, bei einem dreikomponentigen (ternär) Materialsystem 5151, bei einem vierkomponentigen (quaternär) Materialsystem 176851 und bei einem fünfkomponenentigen (quinär) Materialsystem schon deren 4598126. Um neue Werkstoffe und deren Eigenschaften zu untersuchen müssten all diese Zusammensetzungen hergestellt werden, was bei vielkomponentigen Materialsystemen mit einem immensen, in der Regel nicht zu realisierendem Aufwand verbunden ist. Entsprechend werden bei vielkomponentigen Materialsystemen lediglich stichprobenartig 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 beispielsweise Kathodenzerstäubung, lassen sich unter Ausnutzung der Winkel- und Distanzabhängigkeit des Materialflusses oder mittels beweglicher Blenden Zusammensetzungsgradienten über die Substratoberfläche erzeugen, sodass eine Vielzahl von möglichen chemischen Zusammensetzungen in der abgeschiedenen Materialschicht 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 Materialsystem - also mit zwei Materialquellen - Materialschichten erzeugen, die den Mischungsraum aller möglichen chemischen Zusammensetzungen von 20 - 80 % abdecken. 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 ausreichend 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 characterization of Pt-Ru-WC and Pt-Ru-Co ternary thin film combinatorial libraries as anode electrocatalysts for PEMFC“ in Journal ofPower Sources 161 (2006) 106-114 beschreiben zum Beispiel, dass unter Verwendung einer Abschattungsmaske mit einer schlitzförmigen Öffnung, die nicht direkt auf der zu beschichtenden Substratoberfläche aufliegt, Materialschichten erzeugt werden können, die kontinuierliche binäre oder ternäre Zusammensetzungsgradienten der unterschiedlichen Materialien der zwei oder drei Materialquellen aufweisen.
Die 100% Abdeckung in ternären Materialsystemen ist möglich, da sich der dreidimensionale Raum auf eine zweidimensionale Ebene projizieren lässt. Bei mehr als drei Materialquellen, also beispielsweise bei vier Materialquellen besteht die Problemantik, dass von denjenigen Materialquellen, die nicht zueinander benachbart sind, in einem Materialabscheidungsschritt keine binären Mischungen auf dem Substrat erzeugt werden können, ohne dass gleichzeitig die relativen Verhältnisse zwischen den verbleibenden Komponenten verändert werden. In anderen Worten lassen sich lediglich Teilbereiche der möglichen chemischen Zusammensetzungen in einem einzigen Materialabscheidungsschritt abdecken. Entsprechend ist es bei Materialsystemen mit vier oder mehr Materialquellen notwendig, 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.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, Mittel bereitzustellen, um bei vier oder mehr Materialquellen die Abdeckung des Mischungsraumes in der mit einem Materialabscheidungsschritt erzeugten Materialschicht zu erhöhen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung 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 benachbarter Materialquellen aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen bei vier oder mehr Materialquellen in einem einzigen Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht erzeugbar ist, bei der der gesamte Mischungsraum der möglichen prozentualen chemischen Zusammensetzungen abgedeckt ist, also alle binären, ternären, quaternären, quinären, etc. Mischungen in der Materialschicht vorhanden sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird also eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche, umfassend eine Substrathalterung für ein die Substratoberfläche aufweisendes Substrat, eine Materialquelleneinrichtung mit wenigstens vier Materialquellen, und eine Abschattungsmaske, bereitgestellt,

- wobei die Materialquelleneinrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Materialfluss von den Materialquellen in Richtung der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitgestellten Substrates erzeugbar ist,
- wobei die Abschattungsmaske eine Abschattungsfläche mit wenigstens zwei Öffnungen umfasst,
- wobei die Abschattungsmaske derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitgestellten Substrates und der Abschattungsfläche ein Abstand ist und, dass zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitgestellten Substrates und der Abschattungsfläche eine in Bezug auf die Öffnungen in der Abschattungsfläche durchgehende Kavität vorhanden ist,
- wobei die Materialquellen, die Abschattungsmaske und das in der Substrathalterung bereitgestellte Substrat derart zueinander anordnenbar sind und/oder angeordnet sind, dass die Materialquellen bezogen auf die Öffnungen in der Abschattungsfläche nebeneinander sind und dass der von der Materialquelleneinrichtung erzeugte Materialfluss aller Materialquellen alle Öffnungen in der Abschattungsfläche passiert, und
- wobei 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 Anordnung der Materialquellen derart sind, dass auf der Substratoberfläche in einem Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht mit binären Mischbereichen von Materialien der Materialquellen erzeugbar ist, und wobei die Materialschicht binäre Mischbereiche von Materialien umfasst, deren Materialquellen nicht direkt zueinander benachbart sind.

Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche eines Substrates mittels der obigen Vorrichtung bereitgestellt, umfassend die Schritte

- Bereitstellen des Substrates in der Substrathalterung,
- Anordnen der Materialquellen, der Abschattungsmaske und des Substrates derart, dass die Materialquellen bezogen auf die Öffnungen in der Abschattungsfläche nebeneinander sind und dass der von der Materialquelleneinrichtung erzeugte Materialfluss aller Materialquellen alle Öffnungen in der Abschattungsfläche passiert,
- Erzeugen eines gleichzeitigen Materialflusses aller Materialquellen in Richtung der Substratoberfläche.

Kernidee 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 Materialquellen in Richtung der Substratoberfläche in einem Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht auf der Substratoberfläche erzeugt werden, die nicht nur binäre Mischungen 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 Anordnung 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 Abschattungsfläche, und der Anordnung der Materialquellen derart, dass der Materialfluss aller Materialquellen die Öffnung in der Abschattungsfläche passiert, entsteht auf der Substratoberfläche durch den Materialabscheidungsschritt durch die erste Öffnung ein Abscheidungsmuster der Materialien, das zur Anordnung der Materialquellen um die Öffnung korrespondiert. Sind die wenigstens vier Materialquellen beispielsweise kreisförmig äquidistant um die Öffnung angeordnet, entsteht auf der Substratoberfläche ein Abscheidungsmuster, bei dem die abgeschiedenen Materialien der jeweiligen Materialquelle ebenfalls kreisförmig äquidistant angeordnet sind, wobei die abgeschiedenen Bereiche hinsichtlich 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 ringförmig und äquidistant um die Öffnung angeordneten Materialquellen kann das Abscheidungsmuster 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 Substratoberfläche führen zudem dazu, dass binäre Mischbereiche erzeugbar sind, bei denen sich die abgeschiedenen Bereiche der Materialien der einzelnen Materialquellen an benachbarten Randbereichen überlappen. Es lässt sich also eine Materialschicht erzeugen, die binäre Mischbereiche der Materialien der jeweils direkt benachbarten Materialquellen umfasst. Unter binärer Mischbereich ist im Sinne der Erfindung ein Bereich zu verstehen, der Materialien 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 Abscheidevorgang und der Effekt der ersten Öffnung lässt sich zudem mit einem Lackierungsvorgang mit vier Sprühdosen gleichzeitig durch eine Schablone mit einer Öffnung versinnbildlichen, wobei die Schablone in einem Abstand zur zu lackierenden Fläche angeordnet 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 ermöglichen also binäre Mischbereiche von Materialien direkt benachbarter Materialquellen zu erzeugen, die erste Öffnung ermöglicht aber nicht eine Materialschicht zu erzeugen, bei der binäre Mischbereiche von Materialien nicht direkt benachbarter Materialquellen vorhanden sind.
Die zweite Öffnung in der Abschattungsfläche und die in Bezug auf die Öffnungen durchgehende Kavität führt nun dazu, dass das oben beschriebene Abscheidungsmuster ein weiteres Mal auf der Substratoberfläche entsteht und zwar örtlich versetzt zu dem von der ersten Öffnung hervorgerufenen Abscheidungsmuster. Jede weitere Öffnung führt ebenfalls dazu, dass sich das Abscheidungsmuster ein weiteres Mal auf der Substratoberfläche örtlich versetzt wiederholt. Die Anordnung und Ausgestaltung der wenigstens zwei Öffnungen 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 Abscheidungsmuster der zweiten und/oder weiteren Öffnung überlagert und zwar bei Materialien von nicht direkt benachbarten Materialquellen. Derart lässt sich über einen Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht erzeugen, die nicht nur binäre Mischbereiche von Materialien direkt benachbarter Materialquellen aufweist, sondern auch binäre Mischbereiche von Materialien nicht direkt benachbarter Materialquellen. In anderen Worten und geometrisch gesprochen wird an jeder Öffnung ein Abscheidungsmuster der Materialien erzeugt, das einer Punktspiegelung der Materialquellen durch die jeweilige Öffnung entspricht. Da beim Materialabscheidungsschritt ein gleichzeitiger Materialfluss aller Materialquellen durch die wenigstens zwei Öffnungen erzeugt wird und bezogen auf die Öffnungen eine durchgehende Kavität vorhanden ist, ist auf der Substratoberfläche für jede vorhandene Öffnung ein Abscheidungsmuster erzeugbar, wobei die Abscheidungsmuster über eine Translation ineinander überführbar sind.
Bevorzugt ist also vorgesehen, dass die Materialquellen und die wenigstens zwei Öffnungen 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 Materialquellen lokal separiert und/oder kontrolliert überlagert. Besonderes bevorzugt ist vorgesehen, 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 Materialabscheidungsschritt - sprich, ohne dass die Anordnung der Materialquellen zueinander geändert werden müsste und/oder dass die Anordnung der Abschattungsmaske und des Substrates zueinander verändert werden müsste - eine Materialschicht auf der Substratoberfläche zu erzeugen, die zusätzlich zu den binären Mischbereichen von Materialien direkt zueinander benachbarter Materialquellen auch binäre Mischbereiche von Materialien nicht direkt zueinander benachbarter Materialquellen umfasst. In anderen Worten erlauben die Vorrichtung und das Verfahren, auf der Substratoberfläche in einem Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht mit binären Mischbereichen von Materialien der Materialquellen zu erzeugen, deren Materialquellen nicht direkt zueinander benachbart sind. Zudem muss die Abschattungsmaske während des Verfahrens nicht verschoben werden.
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 Anordnung der Materialquellen derart sind, dass auf der Substratoberfläche in einem Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht mit multinären Mischbereichen erzeugbar ist, die in den multinären Mischbereichen ein sich örtlich veränderndes Verhältnis der Materialien der Materialquellen 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 kombinatorisch möglichen multinären Mischbereiche erzeugen, also bei vier Materialquellen, binäre, ternäre und quarternäre Mischbereiche. Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass die multinären Mischbereiche ein sich bezogen auf die Substratoberfläche örtlich veränderndes Verhältnis der Materialien der Materialquellen zueinander aufweisen. Somit kann der gesamte Abdeckungsbereich der möglichen prozentualen Zusammensetzungen multinärer Materialsysteme 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 Mikrometerskala auf. Dies ermöglicht die Materialschichten mittels geeigneter ortsauflösender Analysetechniken - beispielsweise Rastersonden-Mikroskopie-Verfahren oder elektronenmikroskopischer Verfahren - hinsichtlich verschiedener Eigenschaften zu charakterisieren. Aufgrund der Änderung der chemischen Zusammensetzung auf der Mikrometerskala können Mikroskopietechniken im Hochdurchsatzverfahren verwendet werden, so dass die Dauer der Charakterisierung der Materialschichten 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 Materialschicht auf einer Substratoberfläche 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 Materialquellen 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 Materialquelleneinrichtung 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 Materialquellenoberfläche aufweist.
Bei den Materialquellen kann es sich grundsätzlich um jedes Material handeln, also auch um ein Material, das mehrere chemische Elemente umfasst, wie beispielsweise eine Legierung aus Kupfer und Eisen. Es ist aber auch möglich, dass die Materialquelle ein Material 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 aufweisen. Derart lassen sich Materialschichten mit sich verändernder chemischer Zusammensetzung erzeugen. Die Art des Materials der Materialquelle beeinflusst zudem die Winkelverteilung des Materialflusses der Materialquelle. Die Winkelverteilung des Materialflusses beeinflusst wiederrum die Dispersion des Materialflusses nach dem Passieren der Öffnungen.
Die Materialquellen sind bezogen auf die Öffnungen in der Abschattungsfläche nebeneinander angeordnet und/oder anordnenbar. Nebeneinander bedeutet im Sinne der Erfindung, dass betrachtet von jeweils einer der Öffnungen in der Abschattungsfläche die Materialquellen nicht derart hintereinander angeordnet sind, dass der Materialfluss einer Materialquelle in Richtung der Öffnung durch eine weitere Materialquelle unterbrochen wäre. Stattdessen sind die Materialquellen derart nebeneinander angeordnet, dass von jeder Materialquelle ein Materialfluss in Richtung aller Öffnungen erzeugbar ist, der nicht von einer anderen Materialquelle unterbrochen wird. Dies stellt sicher, dass beim gleichzeitigen Erzeugen eines Materialflusses 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 nebeneinander neben den Öffnungen angeordnet sind oder ringförmig um die Öffnungen herum.
Die Abschattungsmaske weist die Abschattungsfläche auf. Bevorzugt ist die Abschattungsfläche 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 vorhanden 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 sicherstellen, dass der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Abschattungsfläche vorhanden ist. Zudem ist vorgesehen, dass die Abschattungsmaske derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Substratoberfläche 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 Öffnungen auf, die den Raum zwischen der Abschattungsfläche und der Substratoberfläche in mehrere Kompartimente teilen könnten. Stattdessen ist der Raum zwischen der Abschattungsfläche und der Substratoberfläche eine durchgehende Kavität.
Hinsichtlich der Anordnung der Materialquellen ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Materialquellen entlang eines Ringes um die Öffnungen der Abschattungsfläche anordnenbar sind und/oder angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Öffnungen in der Abschattungsfläche auf der Substratoberfläche durch den Materialabscheidungsschritt ein Abscheidungsmuster der Materialien pro Öffnung entsteht, bei dem die Materialien der jeweiligen Materialquellen ebenfalls ringförmig um die jeweilige Öffnung angeordnet sind. Die ringförmige Anordnung der Materialquellen macht es somit besonders einfach, die zweite Öffnung derart zur ersten Öffnung der Abschattungsfläche anzuordnen, dass sich das Abscheidungsmuster 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 Abschattungsfläche anordnenbar sind und/oder angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Materialquellen ringförmig und äquidistant um die Öffnungen der Abschattungsfläche anordnenbar sind und/oder angeordnet sind. Somit sind in der erzeugbaren Materialschicht auch die Materialien der Materialquellen 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 Materialflusses durch die Öffnungen ist besonderes bevorzugt vorgesehen, dass die Materialquellen, die Abschattungsmaske und das in der Substrathalterung bereitgestellte Substrat derart zueinander anordnenbar sind und/oder angeordnet sind, dass der von der Materialquelleneinrichtung erzeugte Materialfluss aller Materialquellen 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 Materialschicht die Abscheidungsmuster benachbarter Öffnungen überlagern. Unter Einfallswinkel des Materialflusses auf die Öffnung ist der folgende Winkel gemeint: Ausgehend von der Materialquelle entlang des Materialflusses bis zu den Öffnungen in der Abschattungsfläche und dann entlang der Ebene der Abschattungsfläche in die dem Materialfluss entgegengesetzte Richtung.
Im Hinblick darauf, durch einen Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht zu erzeugen, 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. Beispielsweise können vier Öffnungen derart angeordnet werden, dass sich drei der vier Öffnungen in einem gleichseitigen Dreieck um die vierte Öffnung herum gruppieren. Alternativ 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 Bereichen die gleichen multinären Mischungen der Materialien der Materialquelle aufweist, also beispielsweise mehrere binäre Mischbereiche der gleichartigen Komponenten umfasst. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine anschließende Analyse der Materialschicht vorteilhaft, da sich derart die Analyseergebnisse innerhalb einer Materialschicht wiederholen und somit innerhalb der gleichen Materialschicht überprüfbar sind.
Die Öffnungen in der Abschattungsfläche können grundsätzlich jede beliebige Form annehmen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Öffnungen in der Abschattungsfläche kreisförmig sind. Kreisförmige Öffnungen lassen sich besonders einfach herstellen 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 Öffnungen in der Abschattungsfläche gleich sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Öffnungen in der Abschattungsfläche unterschiedlich ist.
Die Öffnungen können zudem alle die gleiche Größe aufweisen. Bei kreisförmigen Öffnungen ist es also möglich, dass alle Öffnungen den gleichen Durchmesser aufweisen. Bevorzugt 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 Bereich auf der abgeschiedenen Materialschicht ausmachen als Zusammensetzungsbereiche, die von geringem Interesse sind.
Wie bereits erwähnt lassen sich mittels der Vorrichtung und durch das Verfahren Materialschichten erzeugen, die bevorzugt eine kontrollierte Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung auf der Mikrometerskala aufweisen. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Öffnungen in der Abschattungsfläche eine Dimension von 0,5 µm bis 20000 µm haben. Besonders bevorzugt haben die Öffnungen eine Dimension von 0,5 µm bis 500 µm. 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 µm bis 20000 µm, besonders bevorzugt 0,5 µm bis 500 µm. Bei rechteckförmigen Öffnungen ist bevorzugt die Diagonale 0,5 bis 20000 µm, besonders bevorzugt 0,5 µm bis 500 µm lang. Insbesondere wenn die Abschattungsmaske durch ein lithographisches Verfahren auf der Substratoberfläche aufgebracht wird, weisen die Öffnungen bevorzugt eine Dimension von 0,5 µm bis 500 µm auf. Bevorzugt handelt es sich bei der Abschattungsmaske 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 µm und 20000 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 µm und 500 µm beträgt. Mit einem solchen Abstand lassen sich besonders einfach die beschriebenen Abscheidungsmuster erzeugen, bei denen sich die Abscheidungsmuster benachbarter Öffnungen überlagern. Insbesondere wenn die Abschattungsmaske durch ein lithographisches Verfahren auf der Substratoberfläche aufgebracht wird, beträgt der Abstand zwischen der Substratoberfläche des in der Substrathalterung bereitgestellten Substrates und der Abschattungsfläche zwischen 0,5 µm und 500 µm.
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 Zusammensetzungen erlauben, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anzahl Öffnungen in der Abschattungsfläche auf die Anzahl an Materialquellen abgestimmt ist. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Anzahl Öffnungen in der Abschattungsfläche an die Anzahl Materialquellen derart angepasst ist, dass die Abschattungsfläche wenigstens eine Öffnung mehr umfasst, als Materialquellen vorhanden sind. Bei vier Materialquellen weist die Abschattungsfläche also bevorzugt wenigstens fünf Öffnungen auf. Bei fünf Materialquellen weist die Abschattungsfläche entsprechend 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 Materiaschicht 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 Lift-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 nebeneinander 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 umfasst. Dies ermöglicht auf besonderes einfache Art eine mikroskalige Abschattungsmaske bereitzustellen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
Figurenliste

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Materialschicht auf einer Substratoberfläche, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung einer Abschattungsmaske der Vorrichtung aus 1, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Schnittdarstellung der Abschattungsmaske aus 2 entlang der Linie A-A,
4 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Materialquellen um eine Öffnung einer Abschattungsmaske, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine schematische Darstellung eines Abscheidungsmusters der Materialien der Materialquelle, das mit der Abschattungsmaske aus 2 und der Anordnung der Materialquellen aus 4 erzeugbar ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
6 schematische Darstellungen möglicher Abscheidungsmuster der Abschattungsmaske aus 2, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
7 eine schematische Darstellung einer Lichtmikroskop-Aufnahme einer mittels der Abschattungsmaske aus 2 erzeugten Materialschicht, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

1a zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Erzeugen einer Materialschicht 12 auf einer Substratoberfläche 14 eines Substrates 16, gemäß einer bevorzugten 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 Materialquelleneinrichtung 20 mit wenigstens vier Materialquellen 22 - vorliegend sind es fünf Materialquellen 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, wobei davon in 1a der Übersicht halber lediglich zwei Materialquellen 22a, 22b gezeigt sind. Die Materialquelleneinrichtung 20 ist derart ausgestaltet, dass ein Materialfluss 24 - der in 1 schematisch mit Pfeilen 24 illustriert ist - von den Materialquellen 22 in Richtung der Substratoberfläche 14 des Substrates 16 erzeugbar ist.
Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Abschattungsmaske 26, die eine Abschattungsfläche 28 mit wenigstens zwei Öffnungen 30a, 30b umfasst, wobei davon in 1 lediglich die erste Öffnung 30a zu sehen ist. Die Abschattungsmaske 26 der Vorrichtung 10 ist zudem in 2 gezeigt, bei der gut erkennbar ist, dass die Abschattungsmaske 26 wenigstens zwei Öffnungen 30a, 30b umfasst. 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 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der in 2 gezeigten Abschattungsmaske 26. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Abschattungsmaske 26 sechs Öffnungen 30a, 30b, 30c 30d, 30e, 30f. Die sechs Öffnungen 30 sind vorliegend alle kreisförmig ausgestaltet und weisen alle den gleichen Durchmesser 31 auf, nämlich 10 µm. Die Anordnung der Öffnungen 30 der Abschattungsmaske 26 in der Abschattungsfläche 28 ist vorliegend rotationsymmetrisch, wobei fünf der sechs Öffnungen 30 in einem gleichseitigen Pentagon um die sechste Öffnung 30a angeordnet sind. Bei der vorliegenden Abschattungsmaske 26 weist zudem die Strecke zwischen Mittelpunkten zweier benachbarter Öffnungen 30 eine Länge von 20 µm auf.
Die Abschattungsmaske 26 ist in den vorliegenden Ausführungsbeispielen mittels lithographischer Verfahren direkt auf der Substratoberfläche 14 aufgebracht. Zudem ist die Abschattungsmaske 26 derart ausgestaltet, dass zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsfläche 28 ein Abstand 32 ist. Der Abstand 32 zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsfläche 28 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 10 µm. Weiterhin ist - was in 3 am besten zu erkennen ist - die Abschattungsmaske 26 derart ausgestaltet, dass zwischen der Substratoberfläche 14 und der Abschattungsfläche 28 eine in Bezug auf die Öffnungen 30 durchgehende Kavität 34 vorhanden ist.
In 1 ist besonders gut zu erkennen, dass die Materialquellen 22, die Abschattungsmaske 26 und das in der Substrathalterung 18 bereitgestellte Substrat 16 derart zueinander angeordnet sind, dass die Materialquellen 22 bezogen auf die Öffnungen 30 in der Abschattungsfläche 26 nebeneinander sind, also dass der Materialfluss 24a einer Materialquelle 22a in Richtung der Öffnung 30 nicht durch die weitere Materialquelle 22b unterbrochen 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 Materialfluss 24 aller Materialquellen 22 die Öffnungen 30 mit einem Einfallwinkel 36, vorliegend 45 Grad, passiert.
Die Anordnung der fünf Materialquellen 22 in Bezug zur Abschattungsmaske 26 und zum Substrat 16 ist zudem in 4 aus einer anderen Perspektive, nämlich von Oben mit Sicht auf die Substratfläche 14 bzw. die Abschattungsmaske 26 gezeigt. 4 zeigt, dass in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Materialquellen 22 äquidistant und ringförmig um die Öffnungen 30 der Abschattungsmaske 26 angeordnet sind. Übersichtshalber ist in 4 lediglich die mittlere Öffnung 30a der sechs Öffnungen 30 der Abschattungsmaske aus 2 gezeigt. Die in 1 gezeigten Materialquellen 22a und 22b sind also in der ringförmigen Anordnung direkt zueinander benachbart.
Wie in 5 illustriert ist, ist der Abstand 32 zwischen der Substratoberfläche 14 des Substrates 16 und der Abschattungsfläche 28, die Anordnung und Ausgestaltung der Öffnungen 30 und die Anordnung der Materialquellen 22 derart, dass auf der Substratoberfläche 14 mittels der Vorrichtung 10 in einem Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht 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 zueinander direkt benachbart sind.
Dies lässt sich an 5 am besten schrittweise erläutern, indem zuerst der Effekt lediglich einer Öffnung 30a der Abschattungsmaske 26 betrachtet wird, wie in 5a dargestellt. 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 4 gezeigt ist, entsteht auf der Substratoberfläche 14 durch den Materialabscheidungsschritt durch die erste Öffnung 30a ein Abscheidungsmuster 44 der Materialien 42, das zur Anordnung der Materialquellen 22 korrespondiert, wobei die Anordnung der abgeschiedenen Materialien 42a, 42b, 42c, 42d, 42e mit der Anordnung der Materialquellen 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 jeweils von Materialien 42 der Materialquellen 22 erzeugt, die direkt zueinander benachbart sind. Beispielsweise ist der in 5a eingezeichnete binäre Mischbereich 38 von den Materialien 42d und 42e, die den Materialquellen 22d und 22e entstammen, wobei aus 4 hervorgeht, dass die Materialquellen 22d und 22e direkt zueinander benachbart sind. Durch die eine Öffnung 30a entsteht also kein binärer Mischbereich 40 von Materialien 42, deren Materialquellen nicht direkt zueinander benachbart sind. Beispielsweise ist im Abscheidungsmuster 44 der 5a kein binärer Mischbereich 40 der Materialien 42a und 42c oder kein binärer Mischbereich 40 der Materialien 42c und 42e vorhanden.
5b illustriert den Effekt der zweiten Öffnung 30b auf die abgeschiedene Materialschicht 12. Durch die zweite Öffnung 30b wird das in 5a dargestellte Abscheidungsmuster 44 einer Öffnung 30 lokal versetzt repetiert, wobei sich die beiden Abscheidungsmuster 44 überlagern. Derart entsteht eine Materialschicht 12, die mehr als diejenigen binären Mischbereiche 38, 40 der Materialien 42 der Materialquellen 22 aufweist, die bezogen auf die Anordnung der Materialquellen 22 zueinander direkt benachbart sind. Es entstehen nämlich auch binäre Mischbereiche 40 der Materialien 42a und 42c sowie binärer Mischbereich 40 der Materialien 42c und 42e. Wie aus 4 hervorgeht sind die Materialquellen 22a und 22c sowie 22c und 22e aber nicht direkt benachbart.
5c illustriert den Effekt aller sechs Öffnungen 30 der Abschattungsmaske 26. Es ist also möglich mit der Abschattungsmaske 26 eine Materialschicht 12 mit einem Abscheidungsmuster 45 zu erzeugen die alle zehn kombinatorisch möglichen binären Mischungen 38, 40 der Materialien 42 der fünf Materialquellen 22 aufweist. Also die folgenden binären Kombinationen 38 der Materialien 42 direkt benachbarter Materialquellen 22: ab, ae, bc, cd, de. Und die folgenden binären Kombination 40 der Materialien 42 nicht direkt benachbarter Materialquellen 22:ac, ad, bd, be, ce. Zudem werden nicht nur binäre Mischbereiche 38, 40 erzeugt, sondern auch ternäre, quaternäre und quinäre. Die gleichartigen Mischbereiche und insbesondere die gleichartigen binären Mischbereiche 38, 40 werden zudem mehrfach in der Materialschicht 12 erzeugt. Zudem weist die Materialschicht 12 wie im Folgenden ausgeführt innerhalb der multinären Mischbereiche jeweils einen Zusammensetzungsgradienten der Materialien 42 auf.
Die Entstehung multinärer Mischbereiche ist in 1b anhand des binären Mischbereiches 38 illustriert. Durch die Anordnung der Materialquellen 22 und der Ausgestaltung der Abschattungsmaske 26 lässt sich eine Materialschicht 12 erzeugen, bei der innerhalb der binäre Mischbereiche 38 sich die Anteile der Materialien 42 örtlich verändern. Es wird also eine Materialschicht 12 erzeugt, die in den binären Mischbereichen 38, 40 einen Zusammensetzungsgradienten der Materialien 42 aufweist. Auch wenn dies in 1b anhand 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 2 und der Anordnung der Materialquellen aus 4 ist also wie in 5 illustriert in einem einzigen Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht 12 erzeugbar, die den gesamten möglichen Mischungsraum des multinären Materialsystems abdeckt.
6 ist eine schematische Darstellung möglicher simulierter Abscheidungsmuster 45 der Abschattungsmaske 26 aus 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 Materialquellen 22 lassen sich unterschiedliche Abscheidungsmuster 45 erzeugen. 6 zeigt mittels simulierten Abscheidungsmustern 45 den Effekt eines sich verändernden Abstandes zwischen den Mittelpunkten der Öffnungen 30 in der Abschattungsmaske 26 aus 2 und sich veränderndem Abstand 32 zwischen Substratoberfläche 14 und Abschattungsfläche 28, bei unverändertem Durchmesser 31 der Öffnungen 30, unveränderter Anordnung der Materialquellen 22 (wie in 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. Aufgrund des sich verändernden Abstandes zwischen den Öffnungen 30 und des sich verändernden 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 Abscheidungsmustern 44 benachbarter Öffnungen 30 entstehen, präzise verändert werden. In 6 in Reihe zwei bei den Abscheidungsmustern 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 Materialquellen 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 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, allerdings sind durch Überlagerung die einzelnen Materialbereiche nicht mehr als solche zu erkennen.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtmikroskop-Aufnahme einer mittels der Abschattungsmaske 26 aus 2 und der Vorrichtung 10 aus 1 erzeugten Materialschicht 12, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die abgeschiedenen Materialschicht 12, die auch als Mikrobibliothek bezeichnet wird, weist örtlich verändernde Zusammensetzungsverhältnisse der Materialien 42 der fünf Materialquellen 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 Materialschicht 12 wurde mittels energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX, energy dispersive X-ray spectroscopy) analysiert, um derart die Elementzusammensetzung in der Materialsicht 12 örtlich aufgelöst zu analysieren. Aufgrund des geringen Durchmessers 48 der durch die Abschattungsmaske 26 abgeschiedenen Mikrobibliothek von lediglich 100 µm dauert die EDX-Analyse lediglich 10 bis 20 Minuten. Die in 7 gezeigten Kreise entsprechen Erhöhungen der Materialschicht 12 durch Überlagerung der verschiedenen Materialien 42. Jeder Kreis in 7 entspricht in etwa einer Überlagerung von fünf zweidimensionalen Gaußverteilung der einzelnen abgeschiedenen Materialien.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Materialschicht
14: Substratoberfläche
16: Substrat
18: Substrathalterung
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 Materialquellen
40: binäre Mischbereiche von Materialien nicht direkt benachbarter Materialquellen
42: Material der Materialquelle
44: Abscheidungsmuster einer Öffnung
45: Abscheidungsmuster aller Öffnungen
46: Abscheidungsbereich eines Materials
48: Durchmesser der abgeschiedenen Materialschicht

Claims

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 (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) bereitgestellten Substrates (16) erzeugbar ist, wobei die Abschattungsmaske (26) eine Abschattungsfläche (28) mit wenigstens zwei Öffnungen (30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f) umfasst, wobei die Abschattungsmaske (26) derart ausgestaltet ist, 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) des in der Substrathalterung (18) bereitgestellten Substrates (16) und der Abschattungsfläche (28) eine in Bezug auf die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) durchgehende Kavität (34) vorhanden ist, wobei die Materialquellen (22), die Abschattungsmaske (26) und das in der Substrathalterung (18) bereitgestellte Substrat (16) derart zueinander anordnenbar sind und/oder angeordnet sind, dass die Materialquellen (22) bezogen auf die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) nebeneinander sind und dass der von der Materialquelleneinrichtung (20) erzeugte Materialfluss (24) aller Materialquellen (22) alle Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) passiert, und wobei der Abstand (32) zwischen der Substratoberfläche (14) des in der Substrathalterung (18) bereitgestellten Substrates (16) und der Abschattungsfläche (28), die Anordnung und Ausgestaltung der Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) und die Anordnung der Materialquellen (22) derart sind, dass auf der Substratoberfläche (14) in einem Materialabscheidungsschritt eine Materialschicht (12) mit binären Mischbereichen (38, 40) von Materialien (42) der Materialquellen (22) erzeugbar ist, und wobei die Materialschicht (12) binäre Mischbereiche (40) von Materialien (42) umfasst, deren Materialquellen (22) nicht direkt zueinander benachbart sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Materialquellen (22) entlang eines Ringes um die Öffnungen (30) der Abschattungsfläche (28) anordnenbar sind und/oder angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialquellen äquidistant um die Öffnungen (30) der Abschattungsfläche (28) anordnenbar sind und/oder angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialquellen (22), die Abschattungsmaske (26) und das in der Substrathalterung (18) bereitgestellte Substrat (16) derart zueinander anordnenbar sind und/oder angeordnet sind, dass der von der Materialquelleneinrichtung (20) erzeugte Materialfluss (24) aller Materialquellen (22) alle Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) mit einem Winkel (36) zwischen 20 und 90 Grad passiert.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) kreisförmig sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einander benachbarte Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) unterschiedlich sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche eine Dimension von 0,5 µm bis 20000 µm 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 µm bis 20000 µm ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl Öffnungen (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) vorhanden sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschattungsmaske (26) mittels lithographischer Verfahren auf der Substratoberfläche (14) aufgebracht ist.
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), - Anordnen der Materialquellen (22), der Abschattungsmaske (26) und des Substrates (16) derart, dass die Materialquellen (22) bezogen auf die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) nebeneinander sind und dass der von der Materialquelleneinrichtung (20) erzeugte Materialfluss (24) aller Materialquellen (22) alle Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) passiert, - Erzeugen eines gleichzeitigen Materialflusses (24) aller Materialquellen (22) in Richtung der Substratoberfläche (14).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt Anordnen der Materialquellen (22), der Abschattungsmaske (26) und des Substrates (16) derart, dass die Materialquellen (22) bezogen auf die Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) nebeneinander sind und dass der von der Materialquelleneinrichtung (20) erzeugte Materialfluss (24) aller Materialquellen (22) alle Öffnungen (30) in der Abschattungsfläche (28) passiert, ein Aufbringen der Abschattungsmaske (26) auf der Substratoberfläche (14) mittels lithographischer Verfahren umfasst.