WO2011141035A1 - Vorrichtung und verfahren zum gasflusssputtern - Google Patents

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WO2011141035A1
WO2011141035A1 PCT/EP2010/002860 EP2010002860W WO2011141035A1 WO 2011141035 A1 WO2011141035 A1 WO 2011141035A1 EP 2010002860 W EP2010002860 W EP 2010002860W WO 2011141035 A1 WO2011141035 A1 WO 2011141035A1
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sputtering
gas flow
coil
voltage
substrate
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PCT/EP2010/002860
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Ralf Bandorf
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
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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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/228—Gas flow assisted PVD deposition
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    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
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    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • 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.
  • Gas flow sputter sources normally generate a flow of sputtering material to be applied to a substrate, leaving the sputter source out of an exit. The sputtering material leaves the exit at a certain speed and then strikes the substrate to be coated.
  • 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 sputtering material.
  • Such a sputtering source is described, for example, in DD 294 511 A5, in which case a plurality of electrically isolated targets form a hollow cathode with a square cross-section.
  • a sputtering source is described in DE 42 35 953 A1, in which case a linear hollow cathode with planar, mutually parallel electrodes of the same or similar size is used. A cavity is enclosed by the two electrodes and non-conductive side surfaces arranged perpendicular thereto, within which a hollow-cathode glow discharge can take place under suitable circumstances.
  • Inertgases whereby cathode material is dusted from the hollow cathode.
  • the sputtered cathode material then passes through the exit to the substrate where it deposits.
  • reactive gas flow sputtering in addition to the inert gas stream, reactive gas is supplied, so that material deposited by the hollow cathode is deposited. rial 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.
  • the plasma ions give off most of their energy, but only a small amount
  • the generated cathode atoms therefore strike the substrate with very low energies.
  • the applied atoms are usually electrically neutral, that is uncharged.
  • the sputtering material must be applied with high energies.
  • a bias voltage can be used only limited or not at all.
  • the object of the present invention is therefore to specify an apparatus and a method for gas flow sputtering which permits 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 ,
  • a device for gas flow sputtering which has a gas flow sputtering source.
  • a gas-flow sputtering source is preferably a hollow-cathode gas-flow sputtering source as described above and in particular in DD 294 511, DE 42 35 953 and US Pat
  • WO 2009/135652 is executed in detail.
  • Such a gas flow sputter source has an exit from which sputter material, i. 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.
  • the apparatus for gas flow sputtering comprises at least one coil with at least one turn.
  • the spool is arranged so that sputtering material or sputtering particles emerging from the exit or opening of the gas flow sputtering source move through the spool due to their movement upon exiting the gas flow sputtering source.
  • a stream of the sputtering material thus flows through the coil.
  • the coil is arranged in the direction of flight of the sputter particles behind the outlet or the opening of the gas flow sputter source.
  • the Sputter 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 directly behind the output angeord net, but it is also possible that the coil is spaced from the output.
  • the coil may have one or more turns.
  • the windings may be designed as a wire which winds around the coil axis on a cylinder surface or which winds with increasing radius in a plane perpendicular to the coil axis.
  • the one or more turns of the coil may also be formed as a flat conductor, which wind in a plane perpendicular to the coil axis with radius to be taken around the coil axis or describe a helical whose screw axis coincides with the coil axis.
  • the coil axis lies with a symmetry axis of the hollow cathode on a straight line.
  • the gas flow sputter source is a hollow cathode gas flow sputter source as described above.
  • a hollow cathode from which the sputtering material or the particles to be sputtered emerge 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.
  • the coil is then preferably subjected to 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 ⁇ 1000V, whereby preferably the ionization can be influenced.
  • 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.
  • the typical frequencies are in the range of> 10 kHz to> 350 kHz, preferably in the range of ⁇ 10 kHz, preferably ⁇ 100 kHz to> 350 kHz, preferably ⁇ 200 kHz.
  • the frequency is preferably 13.56 MHz.
  • the released frequencies should be selected.
  • the coil is operated pulsed.
  • 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.
  • the coil described enables the production of charged or ionized sputtering particles or sputtering material.
  • a method according to the invention for gas flow sputtering can be carried out, wherein sputter material is deposited on a substrate.
  • 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.
  • the current of the sputtering material is passed through the at least one coil after leaving the gas flow sputtering source and before it hits the substrate.
  • the coil is preferably applied with the pulsed DC voltage described above.
  • the gas-flow sputtering apparatus described above or the gas-flow sputtering method are particularly advantageously usable for depositing dielectric layers, in particular piezoelectric layers, e.g. Lead zirconium titanate, from
  • 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.
  • the particles can be thermalized by the device according to the invention and the process according to the invention, in particular due to the pressure range in which the GFS processes take place. With the invention, a portion of the layer-forming material is available as ions (charged); at conventional GFS, the material is typically neutral.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ions of the sputtering material that is to say in particular of the target material.
  • insulating substrates can be coated, thicker insulating layers, denser layers, and also harder layers can be produced.
  • the charged particles of the target material can additionally be accelerated, ie additional ki receive netic energy, which allows a lasting influence on the structure and morphology of the growing layer.
  • 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.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for gas flow sputtering.
  • the device for gas flow sputtering in this case has a hollow cathode gas flow sputtering source 1, which has a hollow cathode 2.
  • the hollow cathode 2 is cylindrical in Figure 1. An inner wall of the cathode 2 is coated with target material 3, from which target particles 8 are detached during operation of the sputtering source.
  • 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 can be introduced into the hollow cathode 2.
  • Inert gas can be argon, for example, here.
  • For introducing the reactive gas and / or the inert gas is here
  • Gas inlet 5 is provided, from which the corresponding gas flows into the gas inlet opening 4 of the hollow cathode 2. On that side of the hollow cathode 2 facing away from
  • Material 3 now flows as sputter material 8 or
  • a coil 10 which is formed in the example shown here in a plane around a coil axis, wherein the coil axis is located with a cylinder axis of the cylindrical hollow cathode 2 on a common straight line.
  • the coil 10 can be realized with one or more flat turns or with a coil wire wound helically in said plane. Alternatively, the coil can also be wound in a cylindrical shape with flat or wire-shaped conductors.
  • the coil 10 can be acted upon in the example shown with pulsed DC voltage, wherein the DC voltage is pulsed with medium or high frequency.
  • the substrate 11 to be coated is arranged, on which the sputtering particles 8 are deposited.
  • the sputtering particles 8 can between the hollow cathode 2 and the
  • a bias voltage are applied, which is polarized so that it accelerates the sputtering particles 8 in the direction of the substrate 11.
  • the electrical layers, oxide layers, tribological layers and / or sensory layers such as, for example, magnetic, piezoelectric, piezoresistive, thermoelectric and / or thermoresistive layers, can be produced on the substrate 11.
  • 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.

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Abstract

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.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Gasflusssputtern
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.
Gasflusssputterquellen erzeugen normalerweise einen Fluss an auf ein Substrat aufzutragendem Sputtermaterial, der die Sputterquelle aus einem Ausgang ver- lässt . Das Sputtermaterial verlässt den Ausgang mit einer bestimmten Geschwindigkeit und trifft dann auf das zu beschichtende Substrat.
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Gas- flusssputterquellen bekannt. Besonders vorteilhaft sind hierbei Hohlkathoden-Gasflusssputterquellen, die reaktives Gasflusssputtern erlauben. Derartige Hohl- kathoden-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 Reakti- onsprodukt als Sputtermaterial die Hohlkathode ver- lässt .
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.
Eine weitere Ausführungsform einer Sputterquelle wird in der DE 42 35 953 AI 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 un- ter geeigneten Umständen eine Hohlkathoden-Glimmentladung stattfinden kann.
Im Allgemeinen kommt es beim Gasflusssputtern durch das Zuführen von Inertgas in dem Innenraum der Hohl- kathode 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 Mate- rial mit dem reaktiven Gas reagieren kann. Als Sput- termaterial wird hierbei ein Reaktionsprodukt der Reaktion des Hohlkathodenmaterials mit dem reaktiven Gas abgeschieden.
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.
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 be- grenzt oder gar nicht einsetzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gasflusssputtern anzugeben, welches die Erzeugung von elektrisch gela- denen Sputterteilchen sowie eine Modifikation von aufgebrachten Schichten mittels Bias-Spannungen erlaubt und mittels welchem Sputtermaterial mit hoher kinetischer Energie auf ein Substrat aufbringbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zum Gasflusssputtern nach Anspruch 1, das Verfahren zum Gasflusssputtern nach Anspruch 9 sowie die Verwendung der Vorrichtung zum Gasflusssputtern nach Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens zum Gasflusssputtern an.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Gasflusssputtern angegeben, die eine Gasflusssputterquelle aufweist. Eine solche Gasflusssputterquelle ist vor- zugsweise eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle, wie sie oben beschrieben wurde und insbesondere in der DD 294 511, der DE 42 35 953 und der
WO 2009/135652 im Detail ausgeführt ist. 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.
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 Gasflusssputterquel- le 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 Flug- richtung 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 angeord net, es ist aber auch möglich, dass die Spule gegenüber dem Ausgang beabstandet ist.
Die Spule kann ein oder mehrere Windungen aufweisen. Hierbei können die Windungen als Draht ausgeführt sein, der sich um die Spulenachse auf einer Zylinder Oberfläche windet oder der sich mit zunehmendem Radi us 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 zu nehmendem 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.
Bevorzugterweise ist die Gasflusssputterquelle eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle wie oben beschrie- ben. 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. Erfindungsgemäß ist nun die Spule vorzugsweise 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 ^ 1000V, wodurch vorzugsweise die Ionisation beeinflussbar ist.
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.
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 .
Besonders bevorzugt wird die Spule gepulst betrieben.
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 Größen- Ordnungen über üblichen DC-/MF-Bedingungen liegen.
Dadurch ist eine effektive Ionisation des schichtbildenden Materials auf dem Weg zum Substrat möglich.
Die beschriebene Spule ermöglicht die Erzeugung von geladenen bzw. ionisierten Sputterteilchen bzw. Sput- termaterial . 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 be- schichtenden Substrat und/oder zwischen der Sputterquelle und der Spule eine Gleichspannung als Bias- Spannung anlegbar ist, mit welcher das Sputtermateri- al auf das Substrat beschleunigbar ist. Die Polung der Spannung ist hierbei so angepasst, dass die Sput- terteilchen entsprechend ihrer Ladung in Richtung des
Substrates beschleunigt werden.
Mit der oben beschriebenen Vorrichtung ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Gasflusssputtern durch- führbar, 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 Auftreten auf das Substrat durch die zumindest eine Spule geleitet. Während des Sputterns wird die Spule vorzugsweise mit der oben beschriebenen gepulsten Gleichspannung beaufschlagt.
Die oben beschriebene Vorrichtung zum Gasflusssputtern bzw. das Verfahren zum Gasflusssputtern sind besonders vorteilhaft verwendbar zum Abscheiden von dielektrischen Schichten, insbesondere piezoelektri- scher 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, piezo- elektrischen, piezoresistiven, thermoelektrischen und/oder thermoresistiven Schichten. Die Teilchen können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgeraäße Verfahren thermali- siert sein, insbesondere auf Grund des Druckbereiches, im dem die GFS-Prozesse stattfinden. Mit der Erfindung steht ein Teil des schichtbildenden Materials als Ionen (geladen) zur Verfügung; bei konventionellem GFS ist das Material typischerweise 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.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungs- gemäße 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.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gas- flusssputtern 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 ki- netische Energie erhalten, was eine nachhaltige Beeinflussung der Struktur und Morphologie der wachsenden Schicht erlaubt . 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.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Gasflusssputtern .
Die Vorrichtung zum Gasflusssputtern weist hierbei eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle 1 auf, die eine Hohlkathode 2 aufweist. Die Hohlkathode 2 ist in Figur 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 Gas- einlassöffnung 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 . 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.
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 Tar- get-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 .
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 Sputter- teilchen 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 Sub- strates 11 beschleunigt. 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, thermoelek- trische und/oder thermoresistive Schichten erzeugbar.
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.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Gasflusssputtern mit
einer Gasflusssputterquelle , die einen Ausgang für Sputtermaterial aufweist,
gekennzeichnet durch
zumindest eine Spule, die zumindest eine Windung aufweist, und die so in Gasflussrichtung hinter dem Ausgang der Gasflusssputterquelle angeordnet ist, dass Sputtermaterial nach Austreten aus dem Ausgang durch die Spule strömt.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasflusssputterquelle eine Hohlkathoden-Gasflusssputterquelle ist, die eine Hohlkathode aufweist, aus welcher das Sputtermaterial austritt, wobei jene Öffnung der Hohlkathode, aus welcher das Sputtermaterial austritt, den Ausgang der Gasflusssputterquelle darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spule unmittelbar hinter dem Ausgang, den Ausgang umlaufend, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spule mit einer gepulsten Gleichspannung beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, 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 mit- telfrequente Pulswiederkehr mit einer Frequenz ^ 10 kHz, vorzugsweise ^ 100 kHz, und/oder ^ 350 kHz, vorzugsweise 200 kHz, oder eine hochfrequente Pulswiederkehr mit einer Frequenz ^ 13,56 MHz oder Vielfachen hiervon aufweist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung gepulst, 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 -5 20 %, vorzugsweise ^ 10 % und/oder einem Spitzenstrom > 10 A, vorzugsweise > 20 A, vorzugsweise >50 A, vorzugsweise >100 A, vorzugsweise > 500 A beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spule und einem zu beschichtenden Substrat und/oder zwischen der Gasflusssputterquelle und dem zu beschichtenden Substrat und/oder zwischen der Gasflusssputterquelle und der Spule eine Spannung anlegbar ist, mit welcher aus dem Ausgang austretendes Sputtermaterial in Richtung des Substrates beschleunigbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial mittels der Spule aufladbar und/oder ionisierbar ist .
Verfahren zum Gasflusssputtern eines Sputterma- terials auf ein Substrat, wobei mittels einer Gasflusssputterquelle ein Strom von Sputtermate- rial erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des Sput- termaterials nach Verlassen der Gasflusssputterquelle und vor Auftreffen auf das Substrat durch zumindest eine Spule läuft, die zumindest eine Windung aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule während des Gasflusssputterns mit einer gepulsten
Gleichspannung beaufschlagt wird, vorzugsweise mit Mittelfrequenz-gepulster Gleichspannung oder Hochfrequenz-gepulster Gleichspannung oder mit MPP oder HiPIMS-gepulster Gleichspannung beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial bei laufen durch die Spule geladen und/oder ionisiert wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Vorrichtung zum Gasflusssputtern nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von einem oder mehreren ausgewählt aus dielektrischen Schichten, vorzugsweise PZT aufweisend oder daraus be- stehend, Oxidschichten, vorzugsweise TiOx und/oder SiOx aufweisend oder daraus bestehend, tribologischen Schichten, vorzugsweise a-C, a-C:H und/oder CNX aufweisend oder daraus beste- hend und/oder sensorischen Schichten, vorzugsweise ein oder mehrere Schichten ausgewählt aus magnetischen, piezoelektrischen, piezoresisti- ven, thermoelektrischen und/oder thermoresisti- ven Schichten aufweisend oder daraus bestehend.
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