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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gasflusssputtern, wobei auf ein Substrat aufzutragendes Sputtermaterial mittels einer Gasflusssputterquelle erzeugt wird und nach Verlassen der Gasflusssputterquelle durch eine Spule mit mindestens einer Windung geleitet wird.
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Gasflusssputterquellen erzeugen normalerweise einen Fluss an auf ein Substrat aufzutragendem Sputtermaterial, der die Sputterquelle aus einem Ausgang verlässt. Das Sputtermaterial verlässt den Ausgang mit einer bestimmten Geschwindigkeit und trifft dann auf das zu beschichtende Substrat.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Gasflusssputterquellen bekannt. Besonders vorteilhaft sind hierbei Hohlkathoden-Gasflusssputterquellen, die reaktives Gasflusssputtern erlauben. Derartige Hohlkathoden-Gasflusssputterquellen weisen eine Hohlkathode auf, auf deren einer Seite Inertgas und/oder reaktives Gas in die Hohlkathode eintritt und an deren anderer Seite Sputtermaterial aus der Hohlkathode austritt. Die Hohlkathode kann hierbei als Target dienen, von welchem Targetmaterial als Sputtermaterial abgetragen wird. Möglich ist auch, dass das Targetmaterial der Hohlkathode mit dem in die Hohlkathode eingeleiteten Reaktivgas reagiert und das Reaktionsprodukt als Sputtermaterial die Hohlkathode verlässt.
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Eine derartige Sputterquelle wird beispielsweise in der
DD 294 511 A5 beschrieben, wobei hier mehrere elektrisch voneinander isolierte Targets eine Hohlkathode mit quadratischem Querschnitt bilden.
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Eine weitere Ausführungsform einer Sputterquelle wird in der
DE 42 35 953 A1 beschrieben, wobei hier eine lineare Hohlkathode mit planaren, parallel zueinander angeordneten Elektroden von gleicher oder ähnlicher Größe verwendet wird. Durch die beiden Elektroden und senkrecht dazu angeordnete, nicht leitende Seitenflächen wird ein Hohlraum umfasst, innerhalb dessen unter geeigneten Umständen eine Hohlkathoden-Glimmentladung stattfinden kann.
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Die
US 2001/0030125 A1 beschreibt ein Verfahren zur PVD-Abscheidung von Titan und Titannitridschichten in der gleichen Kammer ohne Verwendung eines Kollimators oder Verschlusses.
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Die
US 2004/0217713 A1 beschreibt eine Magnetronplasmaquelle mit einer Magnetronsputterkaltkathodenelektronenquelle in einer Entladungskavität, die von einer Prozesskammer durch einen schmalen Leiter und ein magnetisches Solenoidfeld, getrennt ist.
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Die
DE 10 2008 022 145 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Hochleistungs-Puls-Gasfluss-Sputtern.
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Im Allgemeinen kommt es beim Gasflusssputtern durch das Zuführen von Inertgas in dem Innenraum der Hohlkathode zu einer Hohlkathoden-Glimmentladung des Inertgases, wodurch Kathodenmaterial von der Hohlkathode abgestäubt wird. Das abgestäubte Kathodenmaterial gelangt dann durch den Ausgang auf das Substrat, wo es sich ablagert. Bei reaktivem Gasflusssputtern wird zusätzlich zum Inertgasstrom reaktives Gas zugeführt, so dass von der Hohlkathode abgestäubtes Material mit dem reaktiven Gas reagieren kann. Als Sputtermaterial wird hierbei ein Reaktionsprodukt der Reaktion des Hohlkathodenmaterials mit dem reaktiven Gas abgeschieden.
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Plasma-Ionen, die durch die Hohlkathodenentladung entstehen, treffen auf die Kathode auf und schlagen dabei Atome des Kathodenmaterials aus der Kathode heraus. Hierbei geben die Plasma-Ionen den größten Teil ihrer Energie ab, wobei jedoch nur ein geringer Teil der Energie in kinetische Energie der herausgeschlagenen Kathodenatome übergeht. Die erzeugten Kathodenatome treffen daher mit sehr geringen Energien auf das Substrat auf. Die aufgetragenen Atome sind normalerweise elektrisch neutral, also ungeladen.
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Problematisch ist jedoch, dass für viele Anwendungen das Sputtermaterial mit hohen Energien aufgetragen werden muss. Darüber hinaus ist es häufig notwendig, als Sputtermaterial Ionen zu verwenden, um eine Modifikation der aufgetragenen Schichten mittels einer zusätzlichen Bias-Spannung zu ermöglichen. Besonders bei isolierenden Schichten oder auf isolierenden Substraten lässt sich jedoch eine Bias-Spannung nur begrenzt oder gar nicht einsetzen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gasflusssputtern anzugeben, welches die Erzeugung von elektrisch geladenen Sputterteilchen sowie eine Modifikation von aufgebrachten Schichten mittels Bias-Spannungen erlaubt und mittels welchem Sputtermaterial mit hoher kinetischer Energie auf ein Substrat aufbringbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zum Gasflusssputtern nach Anspruch 1, das Verfahren zum Gasflusssputtern nach Anspruch 8 sowie die Verwendung der Vorrichtung zum Gasflusssputtern nach Anspruch 12. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens zum Gasflusssputtern an.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Gasflusssputtern angegeben, die eine Gasflusssputterquelle aufweist. Eine solche Gasflusssputterquelle ist vorzugsweise eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle, wie sie oben beschrieben wurde und insbesondere in
DD 294 511 A5 , der
DE 42 35 953 A1 und der
DE 10 2008 022 145 A1 im Detail ausgeführt ist.
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Eine solche Gasflusssputterquelle weist einen Ausgang bzw. eine Öffnung auf, aus welchem Sputtermaterial, d. h. Sputterteilchen, die auf ein Substrat abgeschieden werden sollen, austreten. Die Begriffe „Ausgang” und „Öffnung” werden hier synonym verwendet. Die hier austretenden Teilchen können insbesondere von der Kathode abgetragene Teilchen sein, also Kathodenmaterial aufweisen oder daraus bestehen, oder es können Reaktionsprodukte des Kathodenmaterials mit zumindest einem Reaktionsgas sein.
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Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zum Gasflusssputtern zumindest eine Spule mit zumindest einer Windung auf. Die Spule ist so angeordnet, dass aus dem Ausgang bzw. der Öffnung der Gasflusssputterquelle austretendes Sputtermaterial bzw. Sputterteilchen sich aufgrund ihrer Bewegung beim Austritt aus der Gasflusssputterquelle durch die Spule hindurch bewegen. Ein Strom des Sputtermaterials strömt also durch die Spule hindurch. Die Spule ist hierbei in Flugrichtung der Sputterteilchen hinter dem Ausgang bzw. der Öffnung der Gasflusssputterquelle angeordnet. Die Sputterteilchen fliegen dabei im Wesentlichen in Richtung einer Spulenachse der Spule. Diese Spulenachse steht vorzugsweise senkrecht auf einer Fläche der Öffnung bzw. des Ausgangs. Besonders bevorzugt ist die Spule unmittelbar hinter dem Ausgang angeordnet, es ist aber auch möglich, dass die Spule gegenüber dem Ausgang beabstandet ist.
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Die Spule kann ein oder mehrere Windungen aufweisen. Hierbei können die Windungen als Draht ausgeführt sein, der sich um die Spulenachse auf einer Zylinderoberfläche windet oder der sich mit zunehmendem Radius in einer Ebene senkrecht zur Spulenachse windet. Die ein oder mehreren Windungen der Spule können jedoch auch als flächige Leiter ausgebildet sein, die sich in einer Ebene senkrecht zur Spulenachse mit zunehmendem Radius um die Spulenachse winden oder eine Schraubenlinie beschreiben, deren Schraubenachse mit der Spulenachse zusammen fällt. Vorzugsweise liegt die Spulenachse mit einer Symmetrieachse der Hohlkathode auf einer Geraden.
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Bevorzugterweise ist die Gasflusssputterquelle eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle wie oben beschrieben. Eine solche weist wie beschrieben eine Hohlkathode auf, aus welcher das Sputtermaterial bzw. die zu sputternden Teilchen austreten. In diesem Fall ist vorzugsweise jene Öffnung der Hohlkathode, aus welcher das Sputtermaterial bzw. die Sputterteilchen austreten, der oben genannte Ausgang bzw. die oben genannte Öffnung, hinter welcher die Spule angeordnet ist. Teilchen, die aus der Hohlkathode austreten, durchlaufen dann die Spule und treffen anschließend auf das Substrat, welches zu beschichten ist.
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Erfindungsgemäß ist nun die Spule mit einer gepulsten, vorzugsweise negativen, Gleichspannung beaufschlagbar. Die gepulste Gleichspannung liegt vorzugsweise im Bereich von > 0 V, vorzugsweise ≥ 100 V, besonders bevorzugt ≥ 200 V, besonders bevorzugt 500 V besonders bevorzugt ≥ 1000 V, wodurch vorzugsweise die Ionisation beeinflussbar ist.
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Bevorzugterweise ist die Gleichspannung mit zumindest einer Mittelfrequenz oder zumindest einer Hochfrequenz gepulst. Das bedeutet, dass die Wiederkehr der Pulse, also die Zeit zwischen dem Einsatz zweier benachbarter Pulse, zu einer entsprechenden Mittelfrequenz oder Hochfrequenz führt.
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Bei Mittelfrequenzen liegen die typischen Frequenzen im Bereich von ≥ 10 kHz bis ≥ 350 kHz, also vorzugsweise im Bereich von ≥ 10 kHz, vorzugsweise ≥ 100 kHz bis ≤ 350 kHz, vorzugsweise ≤ 200 kHz. Bei Hochfrequenz beträgt die Frequenz vorzugsweise 13,56 MHz. Hier sollten die freigegebenen Frequenzen gewählt werden.
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Besonders bevorzugt wird die Spule gepulst betrieben.
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Generell zeichnen sich Verfahren aus, die mit Duty Cyclen (Wirkzyklen) von < 30%, meist < 10% betrieben werden. Durch die gepulste Einspeisung werden im Puls Elektronen-/Plasmadichten erzeugt, die Größenordnungen über üblichen DC-/MF-Bedingungen liegen. Dadurch ist eine effektive Ionisation des schichtbildenden Materials auf dem Weg zum Substrat möglich.
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Die beschriebene Spule ermöglicht die Erzeugung von geladenen bzw. ionisierten Sputterteilchen bzw. Sputtermaterial. Um eine hohe Auftreffgeschwindigkeit der Sputterteilchen auf das Substrat zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen der Spule und dem zu beschichtenden Substrat und/oder zwischen der Sputterquelle und dem zu beschichtenden Substrat und/oder zwischen der Sputterquelle und der Spule eine Gleichspannung als Bias-Spannung anlegbar ist, mit welcher das Sputtermaterial auf das Substrat beschleunigbar ist. Die Polung der Spannung ist hierbei so angepasst, dass die Sputterteilchen entsprechend ihrer Ladung in Richtung des Substrates beschleunigt werden.
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Mit der oben beschriebenen Vorrichtung ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Gasflusssputtern durchführbar, wobei Sputtermaterial auf ein Substrat abgeschieden wird. Hierbei wird mittels der Gasflusssputterquelle ein Strom des Sputtermaterials erzeugt, es wird also ein Strom von Sputterteilchen erzeugt. Gemäß dem Verfahren wird der Strom des Sputtermaterials nach Verlassen der Gasflusssputterquelle und vor Auftreffen auf das Substrat durch die zumindest eine Spule geleitet. Während des Sputterns wird die Spule vorzugsweise mit der oben beschriebenen gepulsten Gleichspannung beaufschlagt.
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Die oben beschriebene Vorrichtung zum Gasflusssputtern bzw. das Verfahren zum Gasflusssputtern sind besonders vorteilhaft verwendbar zum Abscheiden von dielektrischen Schichten, insbesondere piezoelektrischen Schichten, wie z. B. Blei-Zirkonuim-Titanat, von Oxidschichten, insbesondere TiOx, SiOx und ähnlichen, von tribologischen Schichten, insbesondere a-C, a-C:H, CNx und ähnlichen, sowie von sensorischen Schichten, wie beispielsweise magnetischen, piezoelektrischen, piezoresistiven, thermoelektrischen und/oder thermoresistiven Schichten.
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Die Teilchen können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren thermalisiert sein, insbesondere auf Grund des Druckbereiches, im dem die Gasflusssputter-Prozesse stattfinden. Mit der Erfindung steht ein Teil des schichtbildenden Materials als Ionen (geladen) zur Verfügung; bei konventionellem Gasflusssputtern ist das Material typischerweise neutral.
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Das ionisierte Material kann somit elektrisch wechselwirken und auch von einer Substratbias beeinflusst werden. Hierdurch kommt es im Gegensatz zu den Gasionen zu einem Impulsübertrag bei Auftreffen auf das Substrat zwischen gleichen Partnern.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Gasflusssputtern erlauben es, schon vor dem Auftreffen des Sputtermaterials, der Sputterteilchen bzw. der Ionen auf die Substratoberfläche Wechselwirkungen zwischen den Sputterteilchen und der Substratoberfläche herzustellen. Mit der zusätzlichen Ladung der Sputterteilchen kann ein modifiziertes Schichtwachstum realisiert werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gasflusssputtern und dem erfindungsgemäßen Verfahren können zusätzlich zu den Ionen des Prozessgases auch Ionen des Sputtermaterials, also insbesondere des Targetmaterials, erzeugt werden. Hierdurch können, im Gegensatz zum Schichtwachstum mit neutralen Sputterteilchen, isolierende Substrate beschichtet werden, dickere isolierende Schichten, dichtere Schichten, und außerdem auch härtere Schichten erzeugt werden. Wenn eine zusätzliche Bias-Spannung verwendet wird, können die geladenen Teilchen des Target-Materials zusätzlich beschleunigt werden, also zusätzliche kinetische Energie erhalten, was eine nachhaltige Beeinflussung der Struktur und Morphologie der wachsenden Schicht erlaubt.
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Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden. Die in unterschiedlichen Beispielen genannten Merkmale können jeweils auch einzeln untereinander kombiniert werden und in beliebigen anderen Kombinationen realisiert sein.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Gasflusssputtern.
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Die Vorrichtung zum Gasflusssputtern weist hierbei eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle 1 auf, die eine Hohlkathode 2 aufweist. Die Hohlkathode 2 ist in 1 zylinderförmig ausgeführt. Eine Innenwand der Kathode 2 ist mit Target-Material 3 beschichtet, von welchem im Betrieb der Sputterquelle Target-Teilchen 8 abgelöst werden. Die Hohlkathode 2 weist eine Gaseinlassöffnung 4 an einer Stirnfläche ihrer zylindrischen Form auf, durch welche Inertgas und/oder Reaktivgas in die Hohlkathode 2 einleitbar ist. Inertgas kann hier beispielsweise Argon sein. Zum Einbringen des Reaktivgases und/oder des Inertgases ist hier ein Gaseinlass 5 vorgesehen, aus welchem das entsprechende Gas in die Gaseinlassöffnung 4 der Hohlkathode 2 strömt.
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Auf jener der Hohlkathode 2 abgewandten Seite des Gaseinlasses 5 ist eine Anode 6 angeordnet, wobei mittels einer Gleichspannungsversorgung 7 eine Gleichspannung zwischen der Anode 6 und der Hohlkathode 2 anlegbar ist.
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Es strömt nun Inertgas und/oder Reaktivgas aus dem Gaseinlass 5 in die Hohlkathode 2. Aufgrund der über die Spannungsversorgung 7 angelegten Spannung kommt es im Inneren der Hohlkathode 2 zu einer Hohlkathoden-Glimmentladung, die zu einer Abstäubung des Target-Materials 3 führt. Das abgestäubte Target-Material 3 strömt nun als Sputtermaterial 8 bzw. Sputterteilchen 8 in Richtung einer Auslassöffnung 9 der Hohlkathode 2, welche hier einen Ausgang 9 der Gasflusssputterquelle darstellt. Nachdem die Teilchen 8 des Sputtermaterials die Sputterquelle 1 durch die Öffnung 9 verlassen haben, strömen sie durch eine Spule 10, die im hier gezeigten Beispiel in einer Ebene um eine Spulenachse ausgebildet ist, wobei die Spulenachse mit einer Zylinderachse der zylindrischen Hohlkathode 2 auf einer gemeinsamen Geraden liegt. Die Spule 10 kann im gezeigten Beispiel mit einer oder mehreren flächigen Windung realisiert sein oder mit in der genannten Ebene schneckenförmig gewundenem Spulendraht. Alternativ kann die Spule mit flächigen oder drahtförmigen Leitern auch zylinderförmig gewunden sein. Die Spule 10 ist im gezeigten Beispiel mit gepulster Gleichspannung beaufschlagbar, wobei die Gleichspannung mit Mittel- oder Hochfrequenz gepulst ist.
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Auf jener der Hohlkathode 2 abgewandten Seite der Spule 10 ist das zu beschichtende Substrat 11 angeordnet, auf welchem die Sputterteilchen 8 abgeschieden werden. Zur weiteren Beschleunigung der Sputterteilchen 8 kann zwischen der Hohlkathode 2 und dem Substrat, zwischen der Hohlkathode 2 und der Spule 10 oder zwischen der Spule 10 und dem Substrat 11 eine Bias-Spannung angelegt werden, die so gepolt ist, dass sie die Sputterteilchen 8 in Richtung des Substrates 11 beschleunigt.
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Mittels der gezeigten Sputtervorrichtung sind auf dem Substrat 11 beispielsweise die elektrischen Schichten, Oxidschichten, tribologischen Schichten und/oder sensorischen Schichten, wie beispielsweise magnetische, piezoelektrische, piezoresistive, thermoelektrische und/oder thermoresistive Schichten erzeugbar.
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Als Beispiel sei eine Beschichtung mit Aluminiumoxid als Isolationsschicht angeführt. Hierbei wurde mit einer Spulenfrequenz im Hochfrequenzbereich von 13,56 MHz gearbeitet, wobei eine Bias-/Spulenspannung im Bereich zwischen 0 und 2.000 Volt eingesetzt wurde. Beobachtet wurde das Wachstum einer dichteren Struktur mit einer deutlichen Reduktion der Defekte und Erhöhung der Durchschlagfestigkeit, also einer Verbesserung der Isolationseigenschaften.
