DE112010005558B4 - Apparatus and method for gas flow sputtering - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Gasflusssputtern mit einer Gasflusssputterquelle (1), die einen Ausgang für Sputtermaterial aufweist, sowie mit zumindest einer Spule (10), die zumindest eine Windung aufweist, und die so in Gasflussrichtung hinter dem Ausgang der Gasflusssputterquelle (1) angeordnet ist, dass Sputtermaterial nach Austreten aus dem Ausgang durch die Spule (10) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (10) mit einer gepulsten Gleichspannung beaufschlagbar ist.Device for gas flow sputtering with a gas flow sputtering source (1) having an outlet for sputtering material, and with at least one coil (10) having at least one winding, and which is arranged in the gas flow direction behind the outlet of the gas flow sputtering source (1) that sputtering material after exiting the output through the coil (10) flows, characterized in that the coil (10) can be acted upon by a pulsed DC voltage.

Description

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.The present invention relates to a gas flow sputtering apparatus and method wherein sputtering material to be applied to a substrate is produced by means of a gas flow sputtering source and, after leaving the gas flow sputtering source, is passed through a spool having at least one turn.

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.Gas flow sputter sources normally generate a flow of sputtering material to be applied to a substrate, leaving the sputtering source from an exit. The sputtering material leaves the exit at a certain speed and then strikes the substrate to be coated.

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.A number of gas flow sputtering sources are known in the art. Hollow cathode gas flow sputter sources, which allow reactive gas flow sputtering, are particularly advantageous. Such hollow cathode gas flow sputter sources have a hollow cathode, on one side of which inert gas and / or reactive gas enters the hollow cathode and on the other side of which sputter material emerges from the hollow cathode. The hollow cathode can serve as a target from which target material is removed as a sputtering material. It is also possible that the target material of the hollow cathode reacts with the reactive gas introduced into the hollow cathode and the reaction product leaves the hollow cathode as a sputtering material.

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.Such a sputtering source, for example, in the DD 294 511 A5 described here, wherein a plurality of electrically isolated from each other targets form a hollow cathode with square cross-section.

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.Another embodiment of a sputtering source is disclosed in U.S. Patent Nos. 4,136,866 DE 42 35 953 A1 described here, wherein here a linear hollow cathode with planar, mutually parallel electrodes of the same or similar size is used. By means of the two electrodes and non-conductive side surfaces arranged perpendicular thereto, a cavity is enclosed within which, under suitable circumstances, a hollow-cathode glow discharge can take place.

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.The US 2001/0030125 A1 describes a method for PVD deposition of titanium and titanium nitride layers in the same chamber without the use of a collimator or shutter.

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.The US 2004/0217713 A1 describes a magnetron plasma source having a magnetron sputtering cold cathode electron source in a discharge cavity separated from a process chamber by a narrow conductor and a solenoid magnetic field.

Die DE 10 2008 022 145 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Hochleistungs-Puls-Gasfluss-Sputtern.The DE 10 2008 022 145 A1 describes an apparatus and method for high performance pulse-gas flow sputtering.

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.In general, gas flow sputtering by supplying inert gas in the interior of the hollow cathode results in a hollow cathode glow discharge of the inert gas, thereby sputtering cathode material from the hollow cathode. The sputtered cathode material then passes through the exit to the substrate where it deposits. In reactive gas flow sputtering, reactive gas is supplied in addition to the inert gas stream so that material sputtered from the hollow cathode can react with the reactive gas. In this case, a reaction product of the reaction of the hollow cathode material with the reactive gas is deposited as a sputtering material.

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.Plasma ions formed by the hollow cathode discharge impinge on the cathode, knocking out atoms of the cathode material from the cathode. Here, the plasma ions give off most of their energy, but only a small part of the energy goes into kinetic energy of the knocked-out cathode atoms. The generated cathode atoms therefore strike the substrate with very low energies. The applied atoms are usually electrically neutral, that is uncharged.

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.The problem, however, is that for many applications, the sputtering material must be applied with high energies. In addition, it is often necessary to use ions as the sputtering material to allow modification of the deposited layers by means of an additional bias voltage. Especially with insulating layers or on insulating substrates, however, a bias voltage can be limited or not use.

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.The object of the present invention is therefore to provide a device and a method for gas flow sputtering, which allows the generation of electrically charged sputtering particles and a modification of applied layers by means of bias voltages and by means of which sputtering material with high kinetic energy can be applied to a substrate.

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.This object is achieved by the apparatus for gas flow sputtering according to claim 1, the method for gas flow sputtering according to claim 8 and the use of the apparatus for gas flow sputtering according to claim 12. The dependent claims indicate advantageous developments of the apparatus and method for gas flow sputtering.

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. According to the invention, a device for gas flow sputtering is specified, which has a gas flow sputtering source. Such a gaseous sputtering source is preferably a hollow cathode gaseous sputtering source as described above, and more particularly, in U.S. Pat DD 294 511 A5 , of the DE 42 35 953 A1 and the DE 10 2008 022 145 A1 is executed in detail.

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.Such a gas flow sputter source has an exit or opening from which sputter material, i. H. Sputtering particles to be deposited on a substrate emerge. The terms "exit" and "opening" are used synonymously here. The particles emerging here may in particular be particles removed from the cathode, that is to say comprise or consist of cathode material, or they may be reaction products of the cathode material with at least one reaction gas.

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.According to the invention, the apparatus for gas flow sputtering comprises at least one coil with at least one turn. The spool is arranged so that sputtering particles or sputtering particles emerging from the exit or opening of the gas flow sputtering source move through the spool due to their movement as they exit the gas flow sputtering source. A stream of the sputtering material thus flows through the coil. The coil is in this case arranged in the direction of flight of the sputtering particles behind the outlet or the opening of the gas flow sputtering source. The sputtering particles fly substantially in the direction of a coil axis of the coil. This coil axis is preferably perpendicular to a surface of the opening or the output. Particularly preferably, the coil is arranged directly behind the output, but it is also possible that the coil is spaced from the output.

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.The coil may have one or more turns. Here, the windings can be designed as a wire which winds around the coil axis on a cylindrical surface or which winds with increasing radius in a plane perpendicular to the coil axis. However, the one or more turns of the coil can also be formed as a planar conductor, which wind in a plane perpendicular to the coil axis with increasing radius around the coil axis or describe a helical whose screw axis coincides with the coil axis. Preferably, the coil axis lies with a symmetry axis of the hollow cathode on a straight line.

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.Preferably, the gas flow sputter source is a hollow cathode gas flow sputter source as described above. Such has, as described, a hollow cathode from which the sputtering material or the particles to be sputtered emerge. In this case, preferably, that opening of the hollow cathode from which the sputtering material or the sputtering particles exit, the above-mentioned outlet or opening, behind which the coil is arranged. Particles exiting the hollow cathode then pass through the coil and then strike the substrate to be coated.

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.According to the invention, the coil can now be acted upon by a pulsed, preferably negative, DC voltage. The pulsed DC voltage is preferably in the range of> 0 V, preferably ≥ 100 V, more preferably ≥ 200 V, particularly preferably 500 V, particularly preferably ≥ 1000 V, whereby preferably the ionization can be influenced.

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.Preferably, the DC voltage is pulsed with at least one center frequency or at least one high frequency. This means that the return of the pulses, ie the time between the use of two adjacent pulses, leads to a corresponding medium frequency or high frequency.

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.At medium frequencies, the typical frequencies are in the range of ≥ 10 kHz to ≥ 350 kHz, ie preferably in the range of ≥ 10 kHz, preferably ≥ 100 kHz to ≤ 350 kHz, preferably ≤ 200 kHz. At high frequency, the frequency is preferably 13.56 MHz. Here the released frequencies should be selected.

Besonders bevorzugt wird die Spule gepulst betrieben.Particularly preferably, the coil is operated pulsed.

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.In general, processes are characterized, which are operated with duty cycles of <30%, usually <10%. Due to the pulsed feed, electron / plasma densities are generated in the pulse which are orders of magnitude above the usual DC / MF conditions. As a result, effective ionization of the layer-forming material on the way to the substrate is possible.

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.The coil described enables the production of charged or ionized sputtering particles or sputtering material. In order to achieve a high impact velocity of the sputtering particles on the substrate, it is preferred if in the device according to the invention between the coil and the substrate to be coated and / or between the sputtering source and the substrate to be coated and / or between the sputtering source and the coil DC voltage can be applied as a bias voltage with which the sputtering material can be accelerated onto the substrate. The polarity of the voltage is adjusted so that the sputter particles are accelerated in the direction of the substrate according to their charge.

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. With the device described above, a method according to the invention for gas flow sputtering can be carried out, wherein sputter material is deposited on a substrate. In this case, a stream of the sputtering material is produced by means of the gas flow sputtering source, that is to say a stream of sputtering particles is produced. According to the method, the current of the sputtering material is passed through the at least one coil after leaving the gas flow sputtering source and before hitting the substrate. During sputtering, the coil is preferably applied with the pulsed DC voltage described above.

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.The above-described apparatus for gas flow sputtering or the method for gas flow sputtering can be used particularly advantageously for depositing dielectric layers, in particular piezoelectric layers, such as, for example, piezoelectric layers. As lead zirconium titanate, oxide layers, in particular TiO x , SiO x and the like, of tribological layers, in particular aC, aC: H, CN x and the like, as well as sensory layers, such as magnetic, piezoelectric, piezoresistive, thermoelectric and / or thermoresistive layers.

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.The particles may be thermalized by the apparatus and method of the invention, particularly due to the pressure range in which the gas flow sputtering processes take place. With the invention, a portion of the layer-forming material is available as ions (charged); with conventional gas flow sputtering, the material is typically neutral.

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.The ionized material can thus interact electrically and also be influenced by a substrate bias. This results in contrast to the gas ions to a momentum transfer when hitting the substrate between the same partners.

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.The device according to the invention and the method according to the invention for gas flow sputtering make it possible to produce interactions between the sputtering particles and the substrate surface even before the sputtering material, the sputtering particles or the ions strike the substrate surface. With the additional charge of the sputtering particles, a modified layer growth can be realized.

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.By means of the device according to the invention for gas flow sputtering and the method according to the invention, it is also possible, in addition to the ions of the process gas, to produce ions of the sputtering material, that is to say in particular of the target material. As a result, in contrast to the layer growth with neutral sputtering particles, insulating substrates can be coated, thicker insulating layers, denser layers, and also harder layers can be produced. If an additional bias voltage is used, the charged particles of the target material can additionally be accelerated, ie additional kinetic energy is obtained, which allows a lasting influence on the structure and morphology of the growing layer.

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.In the following, the invention will be described by way of example. The features mentioned in different examples can each be individually combined with each other and realized in any other combinations.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Gasflusssputtern. 1 shows a device according to the invention for gas flow sputtering.

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.The device for gas flow sputtering in this case has a hollow cathode Gasflusssuttterquelle 1 on, which is a hollow cathode 2 having. The hollow cathode 2 is in 1 cylindrical. An inner wall of the cathode 2 is with target material 3 coated, from which in the operation of the sputter source target particles 8th be replaced. The hollow cathode 2 has a gas inlet opening 4 on an end face of its cylindrical shape, through which inert gas and / or reactive gas in the hollow cathode 2 can be introduced. Inert gas can be argon, for example, here. For introducing the reactive gas and / or the inert gas is here a gas inlet 5 provided, from which the corresponding gas in the gas inlet opening 4 the hollow cathode 2 flows.

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.On that of the hollow cathode 2 opposite side of the gas inlet 5 is an anode 6 arranged, wherein by means of a DC power supply 7 a DC voltage between the anode 6 and the hollow cathode 2 can be applied.

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.It now flows inert gas and / or reactive gas from the gas inlet 5 in the hollow cathode 2 , Because of over the power supply 7 applied voltage occurs inside the hollow cathode 2 to a hollow cathode glow discharge, resulting in a sputtering of the target material 3 leads. The sputtered target material 3 now flows as a sputtering material 8th or sputtering particles 8th in the direction of an outlet opening 9 the hollow cathode 2 , which has an exit here 9 represents the gas flow sputter source. After the particles 8th the sputtering material is the sputtering source 1 through the opening 9 leave, they flow through a coil 10 , which is formed in the example shown here in a plane about a coil axis, wherein the coil axis with a cylinder axis of the cylindrical hollow cathode 2 lies on a common line. The sink 10 can be realized in the example shown with one or more flat winding or with spiral in said plane spiral wound coil wire. Alternatively, the coil can also be wound in a cylindrical shape with flat or wire-shaped conductors. The sink 10 In the example shown, pulsed DC voltage can be applied, the DC voltage being pulsed with medium or high frequency.

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.On that of the hollow cathode 2 opposite side of the coil 10 is the substrate to be coated 11 arranged on which the sputtering particles 8th be deposited. To further accelerate the sputtering particles 8th can be between the hollow cathode 2 and the substrate, between the hollow cathode 2 and the coil 10 or between the coil 10 and the substrate 11 a bias voltage is applied that is poled to the sputtering particles 8th in the direction of the substrate 11 accelerated.

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.By means of the sputtering apparatus shown are on the substrate 11 For example, the electrical layers, oxide layers, tribological layers and / or sensory layers, such as magnetic, piezoelectric, piezoresistive, thermoelectric and / or thermoresistive layers generated.

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.As an example, a coating with aluminum oxide as an insulating layer is given. This was done with a coil frequency in the high frequency range of 13.56 MHz, with a bias / coil voltage in the range between 0 and 2,000 volts was used. The growth of a denser structure was observed with a significant reduction of the defects and an increase of the dielectric strength, ie an improvement of the insulation properties.

Claims (12)

Vorrichtung zum Gasflusssputtern mit einer Gasflusssputterquelle (1), die einen Ausgang für Sputtermaterial aufweist, sowie mit zumindest einer Spule (10), die zumindest eine Windung aufweist, und die so in Gasflussrichtung hinter dem Ausgang der Gasflusssputterquelle (1) angeordnet ist, dass Sputtermaterial nach Austreten aus dem Ausgang durch die Spule (10) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (10) mit einer gepulsten Gleichspannung beaufschlagbar ist.Gas flow sputtering apparatus with a gas flow sputtering source ( 1 ), which has an outlet for sputtering material, and at least one coil ( 10 ), which has at least one turn, and thus in the gas flow direction behind the exit of the gas flow sputtering source ( 1 ) is arranged that sputter material after exiting the exit through the coil ( 10 ) flows, characterized in that the coil ( 10 ) can be acted upon by a pulsed DC voltage. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasflusssputterquelle (1) eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle ist, die eine Hohlkathode (2) aufweist, aus welcher das Sputtermaterial austritt, wobei jene Öffnung der Hohlkathode (2), aus welcher das Sputtermaterial austritt, den Ausgang der Gasflusssputterquelle (1) darstellt.Device according to the preceding claim, characterized in that the gas flow sputtering source ( 1 ) is a hollow cathode gas flow sputtering source comprising a hollow cathode ( 2 ), from which the sputtering material emerges, wherein that opening of the hollow cathode ( 2 ), from which the sputtering material exits, the output of the gas flow sputtering source ( 1 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (10) unmittelbar hinter dem Ausgang, den Ausgang umlaufend, angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coil ( 10 ) is located immediately behind the exit, the exit surrounding. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung eine mittelfrequente Pulswiederkehr mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 350 kHz inklusive oder exklusive der jeweiligen Bereichsgrenzen aufweist oder dass die Gleichspannung eine mittelfrequente Pulswiederkehr mit einer Frequenz ≥ 10 kHz, vorzugsweise ≥ 100 kHz, oder eine hochfrequente Pulswiederkehr mit einer Frequenz ≥ 13,56 MHz oder Vielfachen hiervon aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the DC voltage has a medium-frequency pulse return with a frequency between 10 kHz and 350 kHz inclusive or exclusive of the respective range limits or that the DC voltage, a medium-frequency pulse return with a frequency ≥ 10 kHz, preferably ≥ 100 kHz , or has a high-frequency pulse return with a frequency ≥ 13.56 MHz or multiples thereof. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung gepulste, als Modulated Pulse Power (modulierte Pulsleistung, [MPP]) und/oder Hochleistungsimpulse (High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) entsprechend) mit einem Tastverhältnis oder Duty Cycle ≤ 30%, vorzugsweise ≤ 20%, vorzugsweise ≤ 10% und/oder einem Spitzenstrom > 10 A, vorzugsweise > 20 A, vorzugsweise > 50 A, vorzugsweise > 100 A, vorzugsweise > 500 A beaufschlagbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the DC voltage pulsed, as Modulated Pulse Power (modulated pulse power, [MPP]) and / or high power pulses (High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) according to) with a duty cycle or duty cycle ≤ 30 %, preferably ≦ 20%, preferably ≦ 10% and / or a peak current> 10 A, preferably> 20 A, preferably> 50 A, preferably> 100 A, preferably> 500 A can be acted upon. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spule (10) und einem zu beschichtenden Substrat (11) und/oder zwischen der Gasflusssputterquelle (1) und dem zu beschichtenden Substrat (11) und/oder zwischen der Gasflusssputterquelle (1) und der Spule (10) eine Spannung anlegbar ist, mit welcher aus dem Ausgang austretendes Sputtermaterial in Richtung des Substrates (11) beschleunigbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the coil ( 10 ) and a substrate to be coated ( 11 ) and / or between the gas flow sputter source ( 1 ) and the substrate to be coated ( 11 ) and / or between the gas flow sputter source ( 1 ) and the coil ( 10 ) a voltage can be applied, with which out of the output sputtering material in the direction of the substrate ( 11 ) is acceleratable. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial mittels der Spule (10) aufladbar und/oder ionisierbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sputtering material by means of the coil ( 10 ) is chargeable and / or ionizable. Verfahren zum Gasflusssputtern eines Sputtermaterials auf ein Substrat (11), wobei mittels einer Gasflusssputterquelle (1) ein Strom von Sputtermaterial erzeugt wird, wobei der Strom des Sputtermaterials nach Verlassen der Gasflusssputterquelle (1) und vor Auftreffen auf das Substrat (11) durch zumindest eine Spule (10) läuft, die zumindest eine Windung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (10) während des Gasflusssputterns mit einer gepulsten Gleichspannung beaufschlagt wird.Method for gas-flow sputtering of a sputtering material onto a substrate ( 11 ), whereby by means of a gas flow sputtering source ( 1 ) a stream of sputtering material is produced, wherein the flow of the sputtering material after leaving the gas flow sputtering source ( 1 ) and before impacting the substrate ( 11 ) by at least one coil ( 10 ), which has at least one turn, characterized in that the coil ( 10 ) is supplied with a pulsed DC voltage during gas flow sputtering. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule während des Gasflusssputterns mit Mittelfrequenz-gepulster Gleichspannung oder Hochfrequenz-gepulster Gleichspannung oder mit MPP oder HiPIMS-gepulster Gleichspannung beaufschlagt wird.Method according to the preceding claim, characterized in that the coil during the gas flow sputtering with medium frequency pulsed DC voltage or high frequency pulsed DC voltage or with MPP or HiPIMS pulsed DC voltage is applied. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial bei Laufen durch die Spule (10) geladen und/oder ionisiert wird. Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the sputtering material when passing through the coil ( 10 ) is charged and / or ionized. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Vorrichtung zum Gasflusssputtern nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt wird.Method according to one of the three preceding claims, characterized in that the method is carried out with a device for gas flow sputtering according to one of claims 1 to 7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von einem oder mehreren ausgewählt aus dielektrischen Schichten, vorzugsweise PZT aufweisend oder daraus bestehend, Oxidschichten, vorzugsweise TiOx und/oder SiO2 aufweisend oder daraus bestehend, tribologischen Schichten, vorzugsweise a-C, a-C:H und/oder CNx aufweisend oder daraus bestehend und/oder sensorischen Schichten, vorzugsweise ein oder mehrere Schichten ausgewählt aus magnetischen, piezoelektrischen, piezoresistiven, thermoelektrischen und/oder thermoresistiven Schichten aufweisend oder daraus bestehend.Use of a device according to one of claims 1 to 7 for the production of one or more selected from dielectric layers, preferably comprising or consisting of PZT, oxide layers, preferably TiO x and / or SiO 2 or consisting thereof, tribological layers, preferably aC, aC : H and / or CN x comprising or consisting thereof and / or sensory layers, preferably comprising one or more layers selected from or consisting of magnetic, piezoelectric, piezoresistive, thermoelectric and / or thermoresistive layers.
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