WO1998040530A1 - Method for depositing texturized ysz layers through cathodic sputtering - Google Patents

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WO1998040530A1
WO1998040530A1 PCT/DE1998/000685 DE9800685W WO9840530A1 WO 1998040530 A1 WO1998040530 A1 WO 1998040530A1 DE 9800685 W DE9800685 W DE 9800685W WO 9840530 A1 WO9840530 A1 WO 9840530A1
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Ursus KRÜGER
Wolfgang Schilling
Uwe Pyritz
Heike Schiewe
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/083—Oxides of refractory metals or yttrium

Definitions

  • the invention relates to a method for applying textured YSZ layers by sputter coating in a recipient filled with an oxygen-containing process gas, in which an electrical voltage is applied to a target in the recipient, a gas discharge is ignited to form a plasma containing particles, the recipient is evacuated to a pressure which is suitably chosen in view of the mean free path of the particles in the plasma and the distance between the target and a substrate in the recipient and the substrate and the target are arranged at a predetermined angle to one another, so that a particle beam formed from the particles of the plasma hits the substrate at the predetermined angle.
  • a particle beam is formed from the particles of the plasma in the substrate region by using a diaphragm arrangement to which DC voltage is applied, and hits the substrate at the predetermined angle.
  • Argon with a two percent oxygen content is used as the process gas.
  • the recipient becomes up to one _3 pressure of 1 • 10 Torr evacuated so that the middle free
  • Path length of the particles in the plasma is greater than the distance between the target and the substrate.
  • the electrical voltage applied to the target is an alternating voltage with radio frequency.
  • Targets defines the layer composition of the textured layers to be deposited; the gas composition is therefore largely without influence on the layer composition, which plays a major role in the quality of the layers to be deposited.
  • the invention has for its object to provide a simple method for applying particularly high quality textured YSZ layers, which is particularly suitable for large-area deposition.
  • This object is achieved according to the invention in that a metallic target made of zirconium and yttrium is used as the target and target particles detached from the metallic target are oxidized to form an oxide.
  • the main advantage of the method according to the invention is that by oxidizing the target particles detached from the metallic target in plasma, the composition of the oxide can be controlled or adjusted particularly well, since the oxide composition and the oxygen content or gas composition of the Process gas can be significantly influenced. Since the application of high-quality textured YSZ layers depends crucially on whether the material has the correct material composition, a particularly high quality of the YSZ layers can be achieved in the method according to the invention by carefully adjusting the gas composition.
  • Another advantage of the method according to the invention is that due to the use of the metallic targets and the resulting plasma composition, an aperture arrangement in the substrate area, as in the method described at the outset, can be dispensed with.
  • a direct voltage can also be used as the electrical voltage for igniting the gas discharge in the recipient in the case of metallic targets. Since at high output powers, in particular for the deposition of large-area layers, DC voltage sources are less expensive than AC voltage sources in the MHz range, it is considered advantageous if a DC voltage or an AC voltage with a frequency below the radio frequency is applied as the electrical voltage.
  • a further target is arranged with respect to the substrate in mirror symmetry to the one target and another electrical one to the further target Voltage is applied.
  • two plasma clouds which are independent of one another, and thus two independent particle beams are formed, each of which is incident on the substrate at the predetermined angle. This ensures that the deposited oxide layer does not have a wedge-shaped but rather a largely homogeneous thickness distribution on the substrate.
  • direct voltage sources or alternating voltage sources of low frequency are less expensive than alternating voltage sources in the MHz range, so that it is considered to be advantageous if further electrical voltage DC or AC voltage with a frequency in the kHz range is applied.
  • the one and the further electrical voltage are alternating voltages which have the same frequency and the same amount and are out of phase with one another.
  • Such a connection of the two targets can also be achieved in an equivalent manner using only one AC voltage source, namely in that the two voltage outputs of the AC voltage source are each connected to a target; in this case the recipient is not electrically connected to the AC voltage source.
  • Figure 1 shows an embodiment of an arrangement for applying a textured oxidic layer with a target
  • Figure 2 shows another embodiment of an arrangement for applying a textured oxidic layer with two targets.
  • FIG. 1 shows an arrangement for applying an oxide layer with texture by sputter coating.
  • a recipient 12 has an opening 13 and a further opening 14.
  • One opening 13 serves to admit an oxygen-containing gas 15 as process gas into the recipient 12.
  • the gas flow into the recipient 12 and thus the gas composition of the oxygen-containing gas 15 is regulated by a gas flow controller 16.
  • the further opening 14 serves to evacuate the recipient 12; it is connected to a vacuum pump, not shown.
  • a cathode 19 is attached, on which a metallic Target 20 is attached.
  • the metallic target 20 can consist, for example, of a mixture of yttrium and zirconium in a ratio of 15:85% by weight.
  • the cathode 19 is connected to an electrical contact rod 21, which is led out of the recipient 12 through an electrically insulated and sealed, additional opening 22.
  • a power supply 26 is connected with its negative pole.
  • the positive pole of the power supply 26 is connected to the recipient 12.
  • the power supply 26 can be a direct voltage source or also an alternating voltage source which emits an alternating voltage with a frequency in the kHz or MHz range.
  • substrate holders 30, 31 and 32 On one of the substrate holders 30 there is a substrate 33 to be coated with an oxide layer. As can be seen in the illustration in FIG.
  • the substrate holders 30, 31 are and 32 around special substrate holders which make it possible to arrange the target 20 and the substrate 33 at a predetermined angle ⁇ to one another; to deposit YSZ layers, the metallic target 20 and the substrate 33 are arranged, for example, at a predetermined angle oc of 55 degrees to one another.
  • the recipient 12 is evacuated via the further opening 14 by means of the vacuum pump, not shown.
  • the oxygen-containing gas 15 is admitted into the recipient 12 via an opening 13; the gas 15 may additionally contain argon, for example.
  • an electrical voltage U in the form of a direct voltage or an alternating voltage is applied between the cathode and the recipient 12 acting as an anode.
  • a gas discharge occurs due to the low pressure in the recipient 12.
  • the gas molecules are ionized to form a plasma and impinge on the metallic target 20.
  • atoms are released from the metallic target 20, which chemically combine with oxygen atoms in the atmosphere of the recipient 12 and an oxide with those determined by the gas composition in the atmosphere Form material composition.
  • the particles in the plasma form a particle beam I which is directed onto the
  • Substrate 33 falls. This results in the oxide formed from the atoms of the metallic target 20 in textured form, i.e. H. with a certain crystal orientation, for example as a YSZ layer on the substrate 33.
  • the coating process is ended by switching off the power supply 26.
  • the pressure in the recipient 12 is set such that the mean free path of the particles in the plasma or in the atmosphere is approximately as large as the distance between the metallic target 20 and the substrate 33 or less than this distance .
  • FIG. 2 shows in simplified form another exemplary embodiment of an arrangement for carrying out the method according to the invention, elements already explained in connection with FIG. 1 having the same reference numerals as in FIG. 1.
  • a substrate holder 30 'modified compared to the arrangement according to FIG. 1, on which the substrate 33 rests.
  • the substrate 33 and the metallic target 20 with the cathode 19 are arranged at a predetermined angle ⁇ of, for example, 55 degrees to one another.
  • a further target 20 ' is arranged in this further exemplary embodiment of the method according to the invention, which is supplied with a further electrical voltage U' by means of a further power supply 26 '.
  • the further power supply 26 ' is connected like the one power supply 26 between the target and the recipient, via a further cathode 19', a further contact rod 21 'and an electrically insulated and sealed, additional opening 22'.
  • the electrical voltage U is applied to the one target 20 and the further electrical voltage U 'to the further target 20' in the form of a direct voltage or an alternating voltage.
  • Both particle beams I and I 'strike the substrate 33 at the same predetermined angle ⁇ and ensure that the oxide layer with texture grows uniformly with regard to its layer thickness.
  • a particularly uniform layer thickness and a particularly high quality of the textured oxidic layer can be achieved if the one electrical voltage U and the further electrical voltage U 'have a phase shift of 180 degrees and both voltages U and U' are the same size.
  • Such a connection of the two targets can also be done with reach only one AC voltage source, namely in that the two voltage outputs of the AC voltage source are each connected to a target; in this case the recipient is not electrically connected to the AC voltage source.

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Abstract

The invention relates to a method for depositing texturized oxidic layers on a substrate (33) through cathodic sputtering in a receptacle (12) filled with process gas (15) containing oxygen. According to said method, an electrical voltage (U) is applied to a target (20) in the receptacle. A gas discharge is ignited, thereby forming a plasma containing particles . The receptacle is emptied until an appropriate pressure is obtained and the substrate and the target are arranged at a given angle (α) to each other so that a particle beam (I) made from plasma particles hits the substrate at a given angle. According to the invention, a metal target (2) is used and the target particles released therefrom are oxidized to form an oxide so that specially high-quality texturized oxidic layers can be deposited even on large surfaces.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum Aufbringen texturierter YSZ-Schichten durch Sputter-BeschichtenProcess for applying textured YSZ layers by sputter coating
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen texturierter YSZ-Schichten durch Sputter-Beschichten in einem mit einem sauerstoffhaltigen Prozeßgas gefüllten Rezipienten, bei dem an ein Target im Rezipienten eine elektrische Spannung angelegt wird, eine Gasentladung unter Bildung eines Teilchen enthaltenden Plasmas gezündet wird, der Rezipient bis zu einem Druck evakuiert wird, der im Hinblick auf die mittlere freie Weglänge der Teilchen im Plasma und den Abstand zwischen dem Target und einem Substrat im Rezipienten geeignet gewählt ist und das Substrat und das Target unter einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, so daß ein aus den Teilchen des Plasmas gebildeter Teilchenstrahl unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat trifft.The invention relates to a method for applying textured YSZ layers by sputter coating in a recipient filled with an oxygen-containing process gas, in which an electrical voltage is applied to a target in the recipient, a gas discharge is ignited to form a plasma containing particles, the recipient is evacuated to a pressure which is suitably chosen in view of the mean free path of the particles in the plasma and the distance between the target and a substrate in the recipient and the substrate and the target are arranged at a predetermined angle to one another, so that a particle beam formed from the particles of the plasma hits the substrate at the predetermined angle.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (M. Fukutomi, S.In a known method of this type (M. Fukutomi, S.
Aoki, K. Komori, Y. Tanaka, T. Asano and H. Maeda „Control of Y203-stabilized Zr02 thin film orientation by modified bias sputteringA Thin Solid Films, 239 (1994) 123-126) werden YSZ (yttria-stabilized zirconia) -Schichten in einem Rezipienten unter Verwendung eines oxidischen Y203-Zr02-Targets auf einem Substrat abgeschieden. Das Substrat ist auf einem drehbaren Substrathalter befestigt, so daß sich das Substrat und das Target unter einem vorgegebenen Winkel zueinander anordnen lassen. Nach dem Zünden einer Gasentladung unter Bildung ei- nes Plasmas im Rezipienten bildet sich durch Verwendung einer mit Gleichspannung beaufschlagten Blendenanordnung im Substratbereich aus den Teilchen des Plasmas ein Teilchenstrahl, der unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat trifft. Als Prozeßgas wird Argon mit einem zweiprozentigen Sauerstoffanteil eingesetzt. Der Rezipient wird bis zu einem _3 Druck von 1 • 10 Torr evakuiert, so daß die mittlere freieAoki, K. Komori, Y. Tanaka, T. Asano and H. Maeda „Control of Y 2 0 3 -stabilized Zr0 2 thin film orientation by modified bias sputtering A Thin Solid Films, 239 (1994) 123-126) become YSZ ( yttria-stabilized zirconia) layers are deposited on a substrate in a recipient using an oxidic Y 2 0 3 -Zr0 2 target. The substrate is attached to a rotatable substrate holder, so that the substrate and the target can be arranged at a predetermined angle to one another. After a gas discharge has been ignited to form a plasma in the recipient, a particle beam is formed from the particles of the plasma in the substrate region by using a diaphragm arrangement to which DC voltage is applied, and hits the substrate at the predetermined angle. Argon with a two percent oxygen content is used as the process gas. The recipient becomes up to one _3 pressure of 1 • 10 Torr evacuated so that the middle free
Weglänge der Teilchen im Plasma größer ist als der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat. Die an das Target angelegte elektrische Spannung ist eine Wechselspannung mit Ra- diofrequenz. Die Materialzusammensetzung der oxidischenPath length of the particles in the plasma is greater than the distance between the target and the substrate. The electrical voltage applied to the target is an alternating voltage with radio frequency. The material composition of the oxidic
Targets legt die Schichtzusammensetzung der abzuscheidenden texturierten Schichten fest; die Gaszusammensetzung ist dadurch weitgehend ohne Einfluß auf die Schichtzusammensetzung, die für die Qualität der abzuscheidenden Schichten eine große Rolle spielt.Targets defines the layer composition of the textured layers to be deposited; the gas composition is therefore largely without influence on the layer composition, which plays a major role in the quality of the layers to be deposited.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Aufbringen besonders hochwertiger texturierter YSZ-Schichten anzugeben, das insbesondere auch für großflächiges Abscheiden geeignet ist.The invention has for its object to provide a simple method for applying particularly high quality textured YSZ layers, which is particularly suitable for large-area deposition.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Target ein metallisches Target aus Zirkonium und Yttrium verwendet wird und aus dem metallischen Target herausgelöste Targetteilchen unter Bildung eines Oxids oxidiert werden.This object is achieved according to the invention in that a metallic target made of zirconium and yttrium is used as the target and target particles detached from the metallic target are oxidized to form an oxide.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch das Oxidieren der aus dem metallischen Target herausgelösten Targetteilchen im Plasma die Zusammen- setzung des Oxids besonders gut kontrolliert bzw. eingestellt werden kann, da sich nämlich die Oxidzusammensetzung mit dem Sauerstoffanteil bzw. der Gaszusammensetzung des Prozeßgases wesentlich beeinflussen läßt. Da das Aufbringen texturierter YSZ-Schichten in hoher Qualität entscheidend davon abhängt, ob das Material die richtige Materialzusammensetzung aufweist, läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders hohe Qualität der YSZ-Schichten durch das sorgfältige Einstellen der Gaszusammensetzung erreichen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß aufgrund der Verwendung des me- tallischen Targets und der sich dadurch einstellenden Plasmazusammensetzung auf eine Blendenanordnung im Substratbereich wie beim eingangs beschriebenen Verfahren verzichtet werden kann.The main advantage of the method according to the invention is that by oxidizing the target particles detached from the metallic target in plasma, the composition of the oxide can be controlled or adjusted particularly well, since the oxide composition and the oxygen content or gas composition of the Process gas can be significantly influenced. Since the application of high-quality textured YSZ layers depends crucially on whether the material has the correct material composition, a particularly high quality of the YSZ layers can be achieved in the method according to the invention by carefully adjusting the gas composition. Another advantage of the method according to the invention is that due to the use of the metallic targets and the resulting plasma composition, an aperture arrangement in the substrate area, as in the method described at the outset, can be dispensed with.
Im Gegensatz zu oxidischen Targets kann bei metallischen Targets als elektrische Spannung auch eine Gleichspannung zum Zünden der Gasentladung im Rezipienten verwendet werden. Da bei hohen Ausgangsleistungen insbesondere für die Abscheidung großflächiger Schichten Gleichspannungsquellen kostengünstiger sind als Wechselspannungsquellen im MHz-Bereich wird es als vorteilhaft angesehen, wenn als elektrische Spannung eine Gleichspannung oder eine WechselSpannung mit einer Frequenz unterhalb der Radiofrequenz angelegt wird.In contrast to oxidic targets, a direct voltage can also be used as the electrical voltage for igniting the gas discharge in the recipient in the case of metallic targets. Since at high output powers, in particular for the deposition of large-area layers, DC voltage sources are less expensive than AC voltage sources in the MHz range, it is considered advantageous if a DC voltage or an AC voltage with a frequency below the radio frequency is applied as the electrical voltage.
Um zu vermeiden, daß beim Abscheiden oxidischer Schichten unter einem vorgegebenen Winkel die Schichtdicke über dem Substrat schwankt, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn in bezug auf das Substrat spiegelsymmetrisch zu dem einen Target ein weiteres Target angeordnet ist und an das weitere Target eine weitere elektrische Spannung angelegt wird. Beim Abscheiden einer oxidischen Schicht mit zwei Targets bilden sich anschaulich beschrieben zwei voneinander unabhängige Plasmawolken und damit zwei voneinander unabhängige Teil- chenstrahlen, die jeweils unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat auftreffen. Dies stellt sicher, daß die abgeschiedene oxidische Schicht keine keilförmige sondern eine weitgehend homogene Dickenverteilung auf dem Substrat aufweist .In order to avoid that the layer thickness fluctuates above the substrate when depositing oxide layers at a predetermined angle, it is considered advantageous if a further target is arranged with respect to the substrate in mirror symmetry to the one target and another electrical one to the further target Voltage is applied. When an oxide layer with two targets is deposited, two plasma clouds, which are independent of one another, and thus two independent particle beams are formed, each of which is incident on the substrate at the predetermined angle. This ensures that the deposited oxide layer does not have a wedge-shaped but rather a largely homogeneous thickness distribution on the substrate.
Wie bereits erläutert sind Gleichspannungsquellen bzw. Wechselspannungsquellen niedriger Frequenz kostengünstiger als Wechselspannungsquellen im MHz-Bereich, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn als weitere elektrische Span- nung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz im kHz-Bereich angelegt wird.As already explained, direct voltage sources or alternating voltage sources of low frequency are less expensive than alternating voltage sources in the MHz range, so that it is considered to be advantageous if further electrical voltage DC or AC voltage with a frequency in the kHz range is applied.
Um zu vermeiden, daß sich die Plasmawolken in nachteiliger Weise untereinander beeinflussen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die eine und die weitere elektrische Spannung Wechselspannungen sind, die die gleiche Frequenz und den gleichen Betrag aufweisen und untereinander um 180 Grad phasenverschoben sind. Eine solche Beschaltung der zwei Targets läßt sich in äquivalenter Weise auch unter Verwendung nur einer Wechselspannungsquelle erreichen, und zwar dadurch, daß die zwei Spannungsausgänge der Wechselspannungsquelle jeweils an ein Target angeschlossen werden; in diesem Fall ist der Rezipient mit der Wechselspannungsquelle elektrisch also nicht verbunden.In order to avoid that the plasma clouds adversely affect one another, it is considered advantageous if the one and the further electrical voltage are alternating voltages which have the same frequency and the same amount and are out of phase with one another. Such a connection of the two targets can also be achieved in an equivalent manner using only one AC voltage source, namely in that the two voltage outputs of the AC voltage source are each connected to a target; in this case the recipient is not electrically connected to the AC voltage source.
Zur Erläuterung der Erfindung ist inTo explain the invention is in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Aufbringen einer texturierten oxidischen Schicht mit einem Target und inFigure 1 shows an embodiment of an arrangement for applying a textured oxidic layer with a target and in
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Aufbringen einer texturierten oxidischen Schicht mit zwei Targets dargestellt.Figure 2 shows another embodiment of an arrangement for applying a textured oxidic layer with two targets.
In Figur 1 ist eine Anordnung zum Aufbringen einer oxidischen Schicht mit Textur durch Sputter-Beschichten dargestellt. Ein Rezipient 12 weist eine Öffnung 13 und eine weitere Öffnung 14 auf. Die eine Öffnung 13 dient zum Einlassen eines sauerstoffhaltigen Gases 15 als Prozeßgas in den Rezipienten 12. Der Gasfluß in den Rezipienten 12 und damit die Gaszusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases 15 wird durch einen Gasdurchflußregler 16 geregelt. Die weitere Öffnung 14 dient zum Evakuieren des Rezipienten 12; sie ist an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen. Im Rezipienten 12 ist eine Kathode 19 angebracht, an der ein metallisches Target 20 befestigt ist. Das metallische Target 20 kann für die Abscheidung von YSZ-Schichten beispielsweise aus einer Mischung von Yttrium und Zirkonium im Verhältnis 15:85 Gew.% bestehen. Die Kathode 19 ist mit einer elektrischen Kontakt- stange 21 verbunden, die durch eine elektrisch isolierte und abgedichtete, zusätzliche Öffnung 22 aus dem Rezipienten 12 herausgeführt ist. Im Bereich des aus dem Rezipienten 12 herausgeführten Endes 23 der Kontaktstange 21 ist eine Stromversorgung 26 mit ihrem Minuspol angeschlossen. Der Pluspol der Stromversorgung 26 ist mit dem Rezipienten 12 verbunden. Bei der Stromversorgung 26 kann es sich - wie durch die Anschlußbezeichnungen Pluspol und Minuspol bereits angedeutet - um eine Gleichspannungsquelle oder auch um eine Wechselspannungsquelle handeln, die eine Wechselspannung mit einer Fre- quenz im kHz- oder MHz-Bereich abgibt. Im Rezipienten 12 befinden sich Substrathalter 30, 31 und 32. Auf einem der Substrathalter 30 liegt ein mit einer oxidischen Schicht zu beschichtendes Substrat 33. Wie sich der Darstellung in der Figur 1 entnehmen läßt, handelt es sich bei den Substrathal- tern 30, 31 und 32 um spezielle Substrathalter, die es ermöglichen, das Target 20 und das Substrat 33 unter einem vorgegebenen Winkel α zueinander anzuordnen; zur Abscheidung von YSZ-Schichten werden das metallische Target 20 und das Substrat 33 beispielsweise unter dem vorgegebenen Winkel oc von 55 Grad zueinander angeordnet.FIG. 1 shows an arrangement for applying an oxide layer with texture by sputter coating. A recipient 12 has an opening 13 and a further opening 14. One opening 13 serves to admit an oxygen-containing gas 15 as process gas into the recipient 12. The gas flow into the recipient 12 and thus the gas composition of the oxygen-containing gas 15 is regulated by a gas flow controller 16. The further opening 14 serves to evacuate the recipient 12; it is connected to a vacuum pump, not shown. In the recipient 12, a cathode 19 is attached, on which a metallic Target 20 is attached. For the deposition of YSZ layers, the metallic target 20 can consist, for example, of a mixture of yttrium and zirconium in a ratio of 15:85% by weight. The cathode 19 is connected to an electrical contact rod 21, which is led out of the recipient 12 through an electrically insulated and sealed, additional opening 22. In the area of the end 23 of the contact rod 21 led out of the recipient 12, a power supply 26 is connected with its negative pole. The positive pole of the power supply 26 is connected to the recipient 12. As already indicated by the connection designations plus pole and minus pole, the power supply 26 can be a direct voltage source or also an alternating voltage source which emits an alternating voltage with a frequency in the kHz or MHz range. In the recipient 12 there are substrate holders 30, 31 and 32. On one of the substrate holders 30 there is a substrate 33 to be coated with an oxide layer. As can be seen in the illustration in FIG. 1, the substrate holders 30, 31 are and 32 around special substrate holders which make it possible to arrange the target 20 and the substrate 33 at a predetermined angle α to one another; to deposit YSZ layers, the metallic target 20 and the substrate 33 are arranged, for example, at a predetermined angle oc of 55 degrees to one another.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbringen einer texturierten oxidischen Schicht durch Sputter- Beschichten wird der Rezipient 12 über die weitere Öffnung 14 mittels der nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert. Um das Oxidieren der aus dem metallischen Target 20 herausgelösten Targetteilchen unter Bildung eines Oxids zu erreichen, wird das sauerstoffhaltige Gas 15 über die eine Öffnung 13 in den Rezipienten 12 eingelassen; das Gas 15 kann zusätzlich bei- spielsweise Argon enthalten. Ist ein hinreichend geringer Druck im Rezipienten 12 durch stetiges Evakuieren erreicht worden, so wird eine elektrische Spannung U in Form einer Gleichspannung oder einer WechselSpannung zwischen der Kathode und dem als Anode wirkenden Rezipienten 12 angelegt. Aufgrund des niedrigen Druk- kes im Rezipienten 12 kommt es zu einer Gasentladung. Die Gasmoleküle werden unter Bildung eines Plasmas ionisiert und prallen auf das metallische Target 20. Hierbei werden Atome aus dem metallischen Target 20 herausgelöst, die sich chemisch mit in der Atmosphäre des Rezipienten 12 befindlichen Sauerstoffatomen verbinden und ein Oxid mit durch die Gaszusammensetzung in der Atmosphäre festgelegter MaterialZusammensetzung bilden. Die Teilchen im Plasma bilden einen Teil- chenstrahl I, der unter dem vorgegebenen Winkel α auf dasTo carry out the method according to the invention for applying a textured oxidic layer by sputter coating, the recipient 12 is evacuated via the further opening 14 by means of the vacuum pump, not shown. In order to achieve the oxidation of the target particles detached from the metallic target 20 with the formation of an oxide, the oxygen-containing gas 15 is admitted into the recipient 12 via an opening 13; the gas 15 may additionally contain argon, for example. If a sufficiently low pressure in the recipient 12 has been achieved by constant evacuation, an electrical voltage U in the form of a direct voltage or an alternating voltage is applied between the cathode and the recipient 12 acting as an anode. A gas discharge occurs due to the low pressure in the recipient 12. The gas molecules are ionized to form a plasma and impinge on the metallic target 20. In this case, atoms are released from the metallic target 20, which chemically combine with oxygen atoms in the atmosphere of the recipient 12 and an oxide with those determined by the gas composition in the atmosphere Form material composition. The particles in the plasma form a particle beam I which is directed onto the
Substrat 33 fällt. Dies führt dazu, daß sich das aus den Atomen des metallischen Targets 20 gebildete Oxid in texturierter Form, d. h. mit einer bestimmten Kristallorientierung, beispielsweise als YSZ-Schicht auf dem Substrat 33 nie- derschlägt . Der Beschichtungsvorgang wird durch Abschalten der Stromversorgung 26 beendet.Substrate 33 falls. This results in the oxide formed from the atoms of the metallic target 20 in textured form, i.e. H. with a certain crystal orientation, for example as a YSZ layer on the substrate 33. The coating process is ended by switching off the power supply 26.
Beim Sputter-Beschichten wird der Druck im Rezipienten 12 derart eingestellt, daß die mittlere freie Weglänge der Teil- chen im Plasma bzw. in der Atmosphäre ungefähr so groß wie der Abstand zwischen dem metallischen Target 20 und dem Substrat 33 oder kleiner als dieser Abstand ist.In sputter coating, the pressure in the recipient 12 is set such that the mean free path of the particles in the plasma or in the atmosphere is approximately as large as the distance between the metallic target 20 and the substrate 33 or less than this distance .
Figur 2 zeigt in vereinfachter Form ein weiteres Ausführungs- beispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei bereits im Zusammenhang mit Figur 1 erläuterte Elemente in Figur 2 die gleichen Bezugszeichen aufweisen wie in Figur 1. Man erkennt einen gegenüber der Anordnung gemäß Figur 1 modifizierten Substrathalter 30', auf dem das Substrat 33 aufliegt. Das Substrat 33 und das metallische Target 20 mit der Kathode 19 sind unter dem vorgegebenen Winkel α von bei- spielsweise 55 Grad zueinander angeordnet. In bezug auf das Substrat 33 spiegelsymmetrisch zu dem Target 20 ist bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ein weiteres Target 20' angeordnet, das mittels einer weiteren Stromversorgung 26' mit einer weiteren elektrischen Spannung U' beaufschlagt ist. Die weitere Stromversorgung 26' ist wie die eine Stromversorgung 26 zwischen Target und Rezipient angeschlossen, und zwar über eine weitere Kathode 19', eine weitere Kontaktstange 21' und eine elektrisch isolierte und abgedichtete, ergänzende Öffnung 22'.FIG. 2 shows in simplified form another exemplary embodiment of an arrangement for carrying out the method according to the invention, elements already explained in connection with FIG. 1 having the same reference numerals as in FIG. 1. One can see a substrate holder 30 'modified compared to the arrangement according to FIG. 1, on which the substrate 33 rests. The substrate 33 and the metallic target 20 with the cathode 19 are arranged at a predetermined angle α of, for example, 55 degrees to one another. With respect to the substrate 33, mirror-symmetrical to the target 20, a further target 20 'is arranged in this further exemplary embodiment of the method according to the invention, which is supplied with a further electrical voltage U' by means of a further power supply 26 '. The further power supply 26 'is connected like the one power supply 26 between the target and the recipient, via a further cathode 19', a further contact rod 21 'and an electrically insulated and sealed, additional opening 22'.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an das eine Target 20 die elektrische Spannung U und an das weitere Target 20' die weitere elektrische Spannung U' in Form einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung angelegt . Es kommt zu einer Gasentladung und zur Bildung des einen Teilchenstrahles I von dem einen Target 20 sowie zur Bildung eines weiteren Teilchenstrahles I' von dem weiteren Target 20'.To carry out the method according to the invention, the electrical voltage U is applied to the one target 20 and the further electrical voltage U 'to the further target 20' in the form of a direct voltage or an alternating voltage. There is a gas discharge and the formation of the one particle beam I from the one target 20 and the formation of a further particle beam I 'from the further target 20'.
Beide Teilchenstrahlen I und I' fallen unter dem gleichen vorgegebenen Winkel α auf das Substrat 33 auf und stellen sicher, daß die oxidische Schicht mit Textur hinsichtlich ihrer Schichtdicke gleichmäßig aufwächst.Both particle beams I and I 'strike the substrate 33 at the same predetermined angle α and ensure that the oxide layer with texture grows uniformly with regard to its layer thickness.
Werden zur Abscheidung Wechselspannungen verwendet, so läßt sich eine besonders gleichmäßige Schichtdicke und eine besonders hohe Qualität der texturierten oxidischen Schicht erreichen, wenn die eine elektrische Spannung U und die weitere elektrische Spannung U' eine Phasenverschiebung von 180 Grad aufweisen und beide Spannungen U und U' gleich groß sind. Eine solche Beschaltung der zwei Targets läßt sich auch mit nur einer Wechselspannungsquelle erreichen, und zwar dadurch, daß die zwei Spannungsausgänge der Wechselspannungsquelle jeweils an ein Target angeschlossen werden; in diesem Fall ist der Rezipient mit der Wechselspannungsquelle elektrisch nicht verbunden . If alternating voltages are used for the deposition, a particularly uniform layer thickness and a particularly high quality of the textured oxidic layer can be achieved if the one electrical voltage U and the further electrical voltage U 'have a phase shift of 180 degrees and both voltages U and U' are the same size. Such a connection of the two targets can also be done with reach only one AC voltage source, namely in that the two voltage outputs of the AC voltage source are each connected to a target; in this case the recipient is not electrically connected to the AC voltage source.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Aufbringen texturierter YSZ-Schichten durch Sputter-Beschichten in einem mit einem sauerstoffhaltigen Prozeßgas gefüllten Rezipienten, bei dem1. Method for applying textured YSZ layers by sputter coating in a recipient filled with an oxygen-containing process gas, in which
- an ein Target im Rezipienten eine elektrische Spannung angelegt wird,an electrical voltage is applied to a target in the recipient,
- eine Gasentladung unter Bildung eines Teilchen enthaltenden Plasmas gezündet wird, - der Rezipient bis zu einem Druck evakuiert wird, der im Hinblick auf die mittlere freie Weglänge der Teilchen im Plasma und den Abstand zwischen dem Target und einem Substrat im Rezipienten geeignet gewählt ist, unda gas discharge is ignited to form a particle-containing plasma, the recipient is evacuated to a pressure which is appropriately chosen in view of the mean free path of the particles in the plasma and the distance between the target and a substrate in the recipient, and
- das Substrat und das Target unter einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, so daß ein aus den Teilchen des- The substrate and the target are arranged at a predetermined angle to each other, so that one of the particles of
Plasmas gebildeter Teilchenstrahl unter dem vorgegebenen Winkel auf das Substrat trifft, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daßPlasma particle beam strikes the substrate at the given angle, that is, that
- als Target ein metallisches Target (20) aus Zirkonium und Yttrium verwendet wird und- A metallic target (20) made of zirconium and yttrium is used as the target and
- aus dem metallischen Target (20) herausgelöste Targetteilchen unter Bildung eines Oxids oxidiert werden.- Target particles released from the metallic target (20) are oxidized to form an oxide.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß2. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
- als elektrische Spannung (U) eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz im kHz-Bereich angelegt wird.- A DC voltage or an AC voltage with a frequency in the kHz range is applied as electrical voltage (U).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß3. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
- in bezug auf das Substrat (33) spiegelsymmetrisch zu dem einen Target (20) ein weiteres Target (20' ) angeordnet ist und - an das weitere Target (20') eine weitere elektrische Spannung (U') angelegt wird.- With respect to the substrate (33) mirror-symmetrical to the one target (20), another target (20 ') is arranged and - A further electrical voltage (U ') is applied to the further target (20').
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß4. The method of claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
- als weitere elektrische Spannung (U') eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz unterhalb der Radiofrequenz angelegt wird.- A DC voltage or an AC voltage with a frequency below the radio frequency is applied as a further electrical voltage (U ').
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß5. The method according to claim 3 or 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
- die eine und die weitere elektrische Spannung (U, U') WechselSpannungen sind, die die gleiche Frequenz und den gleichen Betrag aufweisen und untereinander um 180 Grad phasenverschoben sind. - The one and the other electrical voltage (U, U ') are alternating voltages that have the same frequency and the same amount and are out of phase with each other by 180 degrees.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008126575A1 (en) * 2007-03-30 2008-10-23 Canon Kabushiki Kaisha Epitaxial film, piezoelectric element, ferroelectric element, manufacturing methods of the same, and liquid discharge head

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61267026A (en) * 1985-05-21 1986-11-26 Ulvac Corp Formation of liquid crystal oriented film
EP0502242A2 (en) * 1991-03-04 1992-09-09 Leybold Aktiengesellschaft Process and apparatus for reactive coating of a substrate
DE4436285A1 (en) * 1994-10-11 1996-04-18 Lueder Ernst Orientation layer construction for liquid crystal displays

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4104592A1 (en) * 1991-02-14 1992-08-20 Siemens Ag Epitaxial deposition of high temp. ceramic superconductor on silicon@ - using an intermediate layer of which the first part is deposited by sputtering in an oxygen-free high pressure ambient
FR2699934B1 (en) * 1992-12-30 1995-03-17 Lorraine Inst Nat Polytech Process for controlling the metalloid concentration of a deposit made physically by reactive vapor phase using a cold spray plasma.
CH686747A5 (en) * 1993-04-01 1996-06-14 Balzers Hochvakuum An optical layer material.
JP3125907B2 (en) * 1993-09-27 2001-01-22 株式会社ミツバ Crystal orientation thin film manufacturing equipment
DE19518779C1 (en) * 1995-05-22 1996-07-18 Fraunhofer Ges Forschung Stable aluminium oxide coating on sintered body

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61267026A (en) * 1985-05-21 1986-11-26 Ulvac Corp Formation of liquid crystal oriented film
EP0502242A2 (en) * 1991-03-04 1992-09-09 Leybold Aktiengesellschaft Process and apparatus for reactive coating of a substrate
DE4436285A1 (en) * 1994-10-11 1996-04-18 Lueder Ernst Orientation layer construction for liquid crystal displays

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 011, no. 121 (P - 568) 16 April 1987 (1987-04-16) *
SUSUMU HORITA ET AL: "IMPROVEMENT OF THE CRYSTALLINE QUALITY OF AN YTTRIA-STABILIZED ZIRCONIA FILM ON SILICON BY A NEW DEPOSITION PROCESS IN REACTIVE SPUTTERING", THIN SOLID FILMS, vol. 229, no. 1, 5 June 1993 (1993-06-05), pages 17 - 23, XP000370668 *

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