DD275883B5 - Verfahren zur homogenen Schichtabscheidung mittels Bogenentladung - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur homogenen plasmagestützten Schichtabscheidung mittels Bogenentladung. Mit derartigen Verfahren können reine Metallschichten als auch leitfähige Verbindungsschichten mit hoher Beschichtungsrate abgeschieden werden. Besonders bedeutsam ist das Verfahren für hochwertige optische Schichten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur plasmagestützten Abscheidung dünner Schichten sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt geworden. Als vorteilhaft haben sich Verfahren erwiesen, bei denen das Beschichtungsmaterial mittels einer Bogenentladung verdampft, da bei diesen Verfahren gleichzeitig im Beschichtungsraum das erforderliche Plasma erzeugt wird. Derartige Bogenentladungsverdampfer können mit Hohlkatode oder Glühkatode arbeiten. Die Bogenentladung brennt jeweils zwischen der Katode und der aus dem zu verdampfenden Material bestehenden tiegelförmigen Anode, schmilzt diese auf und verdampft das Material. Die Dampfteilchen gelangen in den mit einem Plasma ausgefüllten Beschichtungsraum, werden dort teilweise ionisiert und danach auf dem meist negativ vorgespannten Substrat abgeschieden.

Der Nachteil dieses Verfahrens liegt gegenüber Elektronenstrahl-Verdampfern mit gesonderter Plasmaerzeugung in einer relativ geringen Beschichtungsrate infolge der geringen Strahlfokussierung. Weiterhin ist die Lageorientierung durch das Schmelzbad und damit die ausschließliche Verdampfung von unten nach oben oft ungünstig. Auch hat die Katode einen unerwünscht hohen Verschleiß, wobei das abgetragene Katodenmaterial in der Schicht zu störenden Einlagerungen führen kann.

Die andere bekannte Gruppe der Vakuum-Bogenentladungsverdampfer (siehe z. B. VDI-Zeitschrift 129 [1987] 1,S. 89-94) hat eine relativ großflächige Katode, die aus dem zu verdampfenden leitfähigen Material besteht, und eine Anode. Durch bekannte Methoden wird zwischen beiden Elektroden ein Vakuumbogen gezündet und das Katodenmaterial mit hoher Rate verdampft. Auf der Katodenoberfläche erfolgt dabei der Stromaustritt im sogenannten Brennfleck, auch Katodenfleck oder Spot genannt, aus dem die erosive Materialabtragung vonstatten geht. Die sehr hohe Energiedichte im Brennfleck führt zu einer explosionsartigen Verdampfung sowie Ionisierung des verdampften Materials und umgebender Gasteilchen. Diese Verdampfungsverfahren weisen gegenüber anderen Verfahren wichtige Vorteile auf, die besonders in einem hohen energetischen Wirkungsgrad, einem hohen lonisierungsgrad des abgetragenen Materials sowie einer hohen Beschichtungsrate bei beliebiger Einbaulage des Verdampfers bestehen. Einige Nachteile verhindern jedoch, daß diese Verfahren bei Beschichtungsverfahren mit besonders hohen Ansprüchen an die Homogenität und Reproduzierbarkeit der Schicht eingesetzt werden können. Ein besonderes Problem ist die explosionsartige Verdampfung des Katodenmaterial, was neben der Erzeugung von Dampf (neutral und ionisiert) auch zur Emittierung von makroskopischen Teilchen (Spritzer oder Droplets) führt. Dieser Vorgang wird durch den hohen lonendruck (ca. 10⁹ Pa) unmittelbar über der Katodenoberfläche verursacht, der das im Spotzentrum schmelzflüssige Material kraterbildend zur Seite schleudert, wobei das nicht sofort verdampfte Material in Tröpfenform unerwünscht auch auf die Substrate gelangen kann. Ein weiterer Nachteil besteht in der schlechten Steuer- und Beeinflußbarkeit der unregelmäßigen, chaotischen Brennfleckbewegung auf der Targetoberfläche. In der DE-PS 3 413 891 wird vorgeschlagen, zwischen einer Katode und einer Anode bei niedrigem Druck einen Vakuumbogen zu enden, dessen Elektronen die drahtförmige Anode verdampfen. Die Katode soll aus dem gleichen Material wie das zu verdampfende Anodenmaterial sein oder die Katode ist gut abzuschirmen, damit dieses Material nicht an das Substrat gelangen kann. Vorteilhafterweise wird bei dieser Lösung keine störende makroskopische Partikelemission des Anodenmaterials beobachtet (siehe auch J. Vac. Sei. Technol. A/6 [1988] 1, 134-138).

Diese Lösung weist jedoch auch eine Reihe prinzipieller Mängel auf. So wird durch die hohe Energiekonzentration die gesamte Anode aufgeschmolzen. Damit entsteht das Problem der Halterung des zu verdampfenden Materials. Grundsätzlich ist die Einrichtung auf kleinflächige Anoden und damit auf geringe zu verdampfende Materialmengen beschränkt, sofern keine aufwendigen Nachfütterungseinrichtungen eingesetzt werden.

Das gezielte Verdampfen größerer Anodenbereiche ι stellt ein generelles Problem bei der Ausnutzung anodischer Brennflecke dar, da die Anodenflecken, im Gegensatz zu den Katodenflecken, von Natur aus stationär sind. So kommt es insbesondere bei hohen Strömen schnell zu makroskopischen Aufschmelzungen, Abtropfen von Anodenmaterial und auch zur Zerstörung der Anode.

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur homogenen plasmagestützten Schichtabscheidung mit hoher Rate anzugeben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels Bogenentladung örtlich begrenzte Anodenbereiche so aufzuheizen, daß eine Verdampfung mit hoher Rate bei intensiver Plasmabildung erzielt wird, ohne daß die Anode makroskopisch aufschmilzt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Bogenentladung zwischen einer Katode und der aus dem zu verdampfenden Material bestehenden Anode in bekannter Weise gezündet und bei so niedriger Stromstärke aufrecht erhalten wird, daß kein Aufschmelzen und Verdampfen der Anode auftritt. Die Bogenentladung kann dabei mit einer beliebigen Katodenart realisiert werden, z. B. Hohlkatode oder Glühkatode.

Zur Verdampfung des Anodenmaterials wird in der Folge ein örtlich variierbarer fokussierter Laserstrahlimpuls mit einer derartigen Energiedichte auf die Oberfläche der Anode geleitet, daß sich am Auftreffort ein örtlich begrenztes dichtes Plasma ausbildet und gleichzeitig ein Hochstromimpuls durch geeignete Mittel zugeschaltet, was im Zusammenwirken zu einer Vakuum-Bogenentladung zwischen dem anodischen Verdampfungsmaterial am Auftreffort des Laserstrahlimpulses und einer Katode führt. Am Auftreffort des Laserstrahles kommt es zur explosionsartigen Verdampfung des Anodenmaterial. Die Verdampfung erfolgt dabei in der für Anoden typischen Weise ohne Entstehung von störenden Makroteilchen (Droplets), wie es bei der Katodenverdampfung der Fall ist.

Ohne Einleitung des fokussierten Laserstrahlimpulses würde die Ausbildung eines konzentrierten Brennfleckes auf der großflächigen Anode trotz Hochstromimpuls nur schwer möglich sein bzw. nur großflächig, nicht konzentriert und damit ohne reale Verdampfungswirkung brennen. Auch nach Verlöschen des Laserstrahlimpulses brennt die Vakuum-Bogenentladung, die einmal gezündet wurde, weiter zwischen der Katode und dem durch den Laserimpuls festgelegten Anodenfleck. Die Bogenentladung bleibt auf den Zündort begrenzt und führt durch die geringe flächige Ausdehnung des Anodenfleckes zur Hochrateverdampfung bei intensiver Ionisierung. Das Nichtaustreten von Spritzern aus dem Anodenfleck ergibt sich aus dem fehlenden lonendruck. Ebenfalls tritt die stochastische Bewegung des Brennfleckes, die vom Katodenfleck bekannt ist, beim Anodenfleck nicht auf. Verfahrensgemäß wird die Brennzeit der Vakuum-Bogenentladung zur Vermeidung einer großflächigen, makroskopischen Aufschmelzung der Anode zeitlich begrenzt. Die kontinuierliche Verdampfung wird durch eine Folge vieler solcher impulsartiger Verdampfungen erzielt. Der technische Aufwand dazu kann mit bekannten Mitteln relativ gering gehalten werden, da die Bogenentladung zwischen Anode und Katode ständig aufrechterhalten bleibt und damit auch das Raumplasma. Damit bleibt insbesondere auch der erforderliche Anodenfall mit ausreichender Ladungsträgerkonzentration an der Anodenoberfläche erhalten, der das sofortige und leichte Zünden des konzentrierten Vakuumbogens zwischen Katode und Anode in beschriebener Weise ermöglicht. Der Laserstrahl-Auftreffort wird in vorteilhafter Weise periodisch über die gesamte Anodenoberfläche gerastert. Damit werden örtliche Überhitzungen der Anode vermieden und die Anode wird gleichmäßig abgetragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die plasmagestützte Abscheidung homogener hochreiner Schichten mit hohen Abscheideraten und guter Beeinflußbarkeit der Prozeßparameter.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine geeignete Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens.

In einem metallischen Rezipienten 1 ist eine Hohlkatode 2 und eine großflächige, wassergekühlte Anode 3 aus Titan so angeordnet, daß eine Hohlkatoden-Bogenentladung im Trägergas Argon, das durch die Hohlkatode 2 in den Rezipienten 1 einströmt, mittels des Stromversorgungsgerätes 4 gezündet und aufrechterhalten werden kann. Die Substrate 5 sind isoliert gegenüber dem Rezipienten 1 angeordnet und derart mit einem negativen Potential beaufschlagt, daß eine Extraktion von Ionen aus dem Plasma der Hohlkatoden-Bogenentladung auf die Substrate möglich ist.

Weiterhin ist eine geeignete Laserstrahleinrichtung 6, deren Laserstrahl 7 optisch über die gesamte Anodenoberfläche 3a gerastert werden kann, und eine zusätzliche Stromversorgungseinrichtung 8 für die Anode 3 vorhanden. Verfahrensgemäß wird zuerst die Bogenentladung zwischen der Hohlkatode 2 und der Anode 3 in bekannter Weise gezündet. Der Bogen wird mit einer Stromstärke von ca. 100 A aufrechterhalten. Die Bogenentladung bildet innerhalb des Rezipienten 1 ein intensives Plasma aus, ohne daß dies zur Verdampfung der Anode 3 führt. Innerhalb dieser Verfahrensstufe wird die bekannte lonenreinigung der Substrate realisiert. Dazu werden die Substrate 5 auf ein negatives Potential von 500 V gegenüber dem Plasma gelegt, was zu einem intensiven lonenbeschuß führt. Zum Zwecke der Beschichtung werden die Substrate 5 auf ein Potential von -50 V gelegt.

Danach wird die erfindungsgemäße Verdampfung eingeleitet. Die Bogenentladung zwischen Katode 2 und Anode 3 wird in beschriebener Weise aufrechterhalten. Mittels der Laserstrahleinrichtung 6 wird ein hochfokussierter Laserstrahlimpuls 7 mit einer Leistungsdichte von 2 χ 10⁸ W/cm² und auf eine beliebige Stelle der Anodenoberfläche 3a gesendet. Das allein führt zur Ausbildung eines räumlich begrenzten dichten Plasmas über dem Auftreffort. Gleichzeitig wird zusätzlich mittels der Stromversorgung 8 ein Hochstromimpuls zwischen der Anode 3 und dem als Katode dienenden Rezipienten 1 erzeugt. Das gemeinsam führt zur Ausbildung einer Vakuum-Bogenentladung zwischen dem Rezipienten 1 und dem Auftreffort des Laserstrahlimpulses 7 auf der Anodenoberfläche 3a. Im Beispiel beträgt die Maximalstromstärke 500 A bei einer Halbwertszeit von 10 ms. Der Anoden-Brennfleck wird örtlich durch den Auftreffort des Laserstrahlimpulses exakt festgelegt und ist kleinflächig entsprechend der Größe des dichten Plasmas an dieser Stelle. Dies führt durch die hohe Energiekonzentration zur Verdampfung des Anodenmaterials mit hoher Rate. Der Hochstromimpuls wird im Beispiel mittels der Schalter 9 und 10 sowie eines Kondensators 11 über eine entsprechende Stromversorgung 12 realisiert. Durch geeignete Dimensionierung wird eine Verdampfungs-Impulsfrequenz von 5 Hz eingestellt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in neutraler Atmosphäre haftfeste Titanschichten und in reaktiver Stickstoff-Atmosphäre TiN-Schichten mit einer Rate von 10 pm/h bei hoher Homogenität auch auf temperaturempfindlichen Substraten abgeschieden werden. Die beispielsweise so erzeugten TiN-Schichten sind vorzugsweise (200)-orientiert und wachsen äußerst feinkristallin und dropletfrei auf. Diese Feinkristallinität sowie die Homogenität der Schichten ermöglicht deren Einsatz sowohl für Verschleißschutzzwecke, als auch für optische und mikroelektronische Anwendungen.

Claims (1)

1. Verfahren zur homogenen Schichtabscheidung mittels Bogenentladung, gekennzeichnet dadurch, daß die Bogenentladung j zwischen einer Katode (2) und einer zu verdampfender Anode (3) mit einem Strom gezündet und aufrechterhalten wird, der nicht allein zur Verdampfung des Anodenmaterials führt und, daß an der Anode eine Folge zusätzlicher, örtlich begrenzter, impulsartiger Hochstrom-Entladungen mittels örtlich variierbarem hochfokussiertem Laserstrahlimpuls gezündet wird.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung