Über die Herstellung dünner Schichten mittels Sputtern

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1 Methodenvortrag Methodenvortrag Graduiertenkolleg Neue Hochleistungswerkstoffe für effiziente Energienutzung Jens Müller Arbeitsgruppe Dr.H.Schmitt Technische Physik Geb.38 Universität des Saarlandes Über die Herstellung dünner Schichten mittels Sputtern A controlled method of coating almost anything with a thin film of almost anything to make it more resistant to anything (or more adherent, or more conductive, or provide better lubrication). E.Groshart

2 Methodenvortrag Inhalt Was ist Sputtern? DC-Sputtern RF-Sputtern Magnetron-Sputtern Steuerparameter Vor- und Nachteile der Methode

3 Methodenvortrag Was ist Sputtern? to sputter : zerstäuben Prinzip: Atome eines Materials/Legierung/Verbindung werden durch Beschuß mit hochenergetischen Edelgasionen aus dem Bulk herausgeschlagen und auf einem Substrat abgeschieden Grundmaterial in Form eines sog. Targets: i.a. Scheibe mit möglichst glatter Oberfläche, welche aus Material erschmolzen oder gepresst wird Ionen bilden Stoßkaskade und Energie wird durch Stöße mit Atomen und Elektronen abgegeben Bei Überschreitung einer Mindestenergie von ~20 ev (Energieübertrag > Austrittsarbeit) wird Targetmaterial abgetragen Faustregel: E Sp > 4E Subl Energieaufteilung: - Erwärmung des Targets ~75% (!) - Energie des gesp. Materials 1% - Energie Sekundärelektronen Rest

4 Methodenvortrag DC-Sputtern Einfachste Form des Sputterns: Gasentladung Elektronen werden zwischen zwei Elektroden in einem Arbeitsgas (z.b.argon) beschleunigt Ausbildung von Potentialgefälle zwischen Negative Glow und Kathode Kathode! Target Anode! Subtrat Ionen aus Negative Glow - sputtern Target - erzeugen Sekundärelektronen (wichtig zur Aufrechterhaltung der Entladung) Das Substrat sollte für gute Abscheidebedingungen möglichst nahe an der Kathode platziert werden (im Negative Glow)

5 Methodenvortrag Wichtige Größen für Materialabtrag Sputterrate dz [nm/min] dt Sputterertrag Y [Atome/Ion] Sputterrate hängt von Anzahl, Energie und Masse der einfallenden Ionen ab Verknüpfung mit Y: dz dt = jy en j: Ionenstromdichte auf Kathode N: Targetdichte Mit steigendem Einfallswinkel zum Lot nimmt Sputterertrag zu: Diff. Sputterertrag: dy = dϑ Y( 0 ) ϑ n cos ( ) ϑ: Einfallswinkel zum Lot n: Parameter (nimmt mit Ionenenergie zu)

6 Methodenvortrag Effekt am Targetrand: Ionenbahnen werden am Rande des Targets - fokussiert - zu größeren Winkeln hin verbogen " Erhöhte Sputterrate am Targetrand (Unerwünscht) Lösung: Dunkelraumschild

7 Methodenvortrag RF-Sputtern Größter Nachteil des DC-Sputterns: Keine Herstellung von isolierenden Schichten möglich, da sich hierbei sofort eine positive Raumladung vor dem Target bildet, die weiteres Sputtern verhindert Lösung: Sputtern mit Wechselstrom, sog. radiofrequency- oder RF-Sputtern Unterschiede zu DC-Sputtern: - Plasma wird durch im E-Feld oszillierende Elektronen erzeugt - Sekundärelektronen und hohe Elektroden-Spannung sind für Plasma-Erhaltung nicht nötig - Sputterprozess kann bei niedrigerem Druck des Arbeitsgases stattfinden (Gasersparnis)

8 Methodenvortrag Dunkelraum: Aus der Elektroden austretende Sekundärionen werden durch Kondensatoren C am Abfließen gehindert " Elektrode lädt sich negativ auf " Spannungsabfall über Dunkelraum Bei gleicher Elektrodengröße fällt an jeder Elektrode die Hälfte der Scheitelspannung U max ab Bei ungleicher Elektrodengröße beträgt die Spannung an der kleineren Elektrode (i.a. Target): U 1 F2 = F U U F F max >> 1 4 ( ) 2 2 1

9 Methodenvortrag Magnetron-Sputtern Am Target eingesetztes Magnetfeld verbiegt den Weg austretender Sekundärelektronen - Ladungsdichte vor Targetelektrode wird erhöht - Breite des Dunkelraumes sinkt - Spannungsabfall über Dunkelraum steigt - Ionen treffen mit erhöhter Energie am Target ein Vorteile: - Stark erhöhte Sputterrate - Geringerer Energieverbrauch - Niedrigerer Druck möglich Nachteile: - Auch Ionenbahnen werden durch Magnetfeld beeinflußt - Verstärkter Materialabtrag an Austrittsstellen des Magnetfeldes (Gefahr von Durchsputtern ) - Substrat muß für gleichmäßige Schichtdicke bewegt werden

10 Methodenvortrag Steuerparameter Angelegte Spannung und Stromdichte: Bei gleicher Sputterzeit steigt Schichtdicke mit wachsender Spannung (Tangentenverhalten) Änderungen der Stromdichte machen sich in weit stärkerem Maße bemerkbar

11 Methodenvortrag Arbeitsgasdruck: Um Stromdichte zu erhöhen, wird Druck des Arbeitsgases gesteigert! mehr Ionen verfügbar Substrattemperatur T s : - erhöhte Temp. des Substrates kann eine verringerte Abscheiderate bewirken (Dichte der Schicht erhöht) - tw. ist durch Variieren von T s eine Veränderung der Schichtstruktur und Vorzugsrichtung möglich

12 Methodenvortrag Vorteile/Begrenzungen Vorteile: Es können Schichten aus - mehreren Komponenten (Verbindungen oder Legierungen) - Materialien mit hohem Schmelzpunkt - isolierenden Materialien hergestellt werden Die Schichten - besitzen eine gute Haftung auf dem Substrat - können bei geringer Temperatur hergestellt werden - besitzen über einen weiten Bereich eine einheitliche Schichtdicke Begrenzungen: - Material muß in Targetform vorliegen - Abscheiderate meist <200 nm/min Bsp.: Mo (Metall) : 8 nm/min CIS (Verbindungshalbleiter): 13 nm/min - Meist Targetkühlung erforderlich - Viele Parameter, die Abscheidebedingungen beeinflussen! erlaubt relativ genaue Steuerung, kann aber Prozeß verkomplizieren

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