1 Der reaktive DC-Magnetron Sputterprozeß

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1 1 Der reaktive DCMagnetron Sputterprozeß Die optischen Funktionsschichten werden am Institut in einem DCMagnetron Sputterprozeß hergestellt. Das Sputterverfahren bietet den Vorteil einer großflächig homogenen Beschichtung für die spätere Produktion. Es werden für die Herstellung geeigneter Schichten günstige Depositionsparameter gefunden und allgemein ihr Einfluß auf die Schichteigenschaften untersucht. 1.1 Das Prinzip Beim Sputterprozeß (auch Kathodenzerstäubung) werden Gasionen aus einem Plasmaprozeß auf ein Target aus dem aufzuwachsenden Material beschleunigt. Dort wird Material freigeschlagen ( gesputtert ), das anschließend auf einem in Targetnähe angebrachten Substrat deponiert wird. Das Sputtern wird in einem geschlossenen Rezipienten realisiert, der vor Beginn der Deposition auf ein möglichst gutes Vakuum abgepumpt wird (siehe Abbildung 1). Um ein Plasma zu zünden, wird Argon bis zu einem typischen Arbeitsdruck von 0, Pa eingelassen. Durch natürliche Höhenstrahlung liegen stets einige Ar Ionen vor. Beim DCSputtern wird am Target ein negatives Potential U von bis zu einigen hundert Volt Spannung angelegt, so daß die ArIonen auf das Target beschleunigt werden und dort zum einen Material abtragen, zum anderen Sekundärelektronen erzeugen. Diese Elektronen sorgen für eine weitere Ionisierung des Gases. Abhängig vom Druck p des Gases und dem Elektrodenabstand d bestimmt sich nach dem Gesetz von Paschen [1, 5] eine Durchschlagsspannung U D ab der eine sich selbständig erhaltende Glimmentladung auftritt gemäß U D = A pd/(ln(pd)b) mit dem Materialkonstanten A und B. Anschaulich steigt mit einer Druckerhöhung die Ionisationswahrscheinlichkeit und damit die Anzahl an Ionen und die Leitfähigkeit des Gases. Die Durchschlagsspannung sinkt. Bei ausreichender Ionisierungsrate entsteht ein stabil brennendes Plasma, aus dem Vakuumpumpe Substrat Gaseinlaß Ar, O,N 2 2 Plasma Target HV N S N Permanent Magnet Stromversorgung Abbildung 1: Das Sputterprinzip. 1

2 heraus ausreichend viele Ionen zum Sputtern des Materials zur Verfügung stehen. Um die Ionisierungsrate durch die ausgetretenen Sekundärelektronen zu erhöhen, wird beim Magnetronsputtern unter dem Target ein starker Magnet angebracht. In dessen Feld werden die Elektronen auf Zykloidenbahnen gefangen und kreisen nun über der Targetoberfläche. Durch die längere Verweilzeit im Gas sorgen sie durch Stöße für einen größere Ionisationswahrscheinlichkeit und damit für ein Zünden des Plasmas bei Drücken, die um bis zu einhundert mal geringer sind als beim konventionellen Sputtern. Zum einen werden dadurch höhere Raten realisiert, zum anderen erfährt das abgesputterte Material wegen des geringeren Druckes auf dem Weg zum Substrat deutlich weniger Stöße und besitzt eine höhere kinetische Energie beim Auftreffen auf das Substrat (siehe auch unten). Da die Elektronendichte und damit die Zahl erzeugter Ionen dort am höchsten ist, wo das BFeld parallel zur Targetoberfläche liegt, findet der Sputterabtrag auf dem Target unmittelbar im Bereich darunter statt. Es bildet sich ein Erosionsgraben aus, der der Form des Magnetfeldes folgt. Der Beschuß des Targets mit positiven Ionen würde bei nichtleitfähigen Materialien zu einer Aufladung der Oberfläche und zu einer anschließenden Abschirmung des elektrischen Feldes führen, so daß sehr schnell der Ionenstrom zum Erliegen käme. Daher ist das DCSputtern auf leitfähige Targets wie Metalle oder dotierte Halbleiter angewiesen. Zur Herstellung dielektrischer Filme gibt es nun zwei Möglichkeiten: Zum einen das sogenannte RFSputtern (radio frequency), bei dem an das Target eine Wechselspannung angelegt wird, so daß in der einen Phase Ionen auf das Target beschleunigt werden und Material abtragen; in der anderen Phase findet ein Ladungsausgleich statt. Damit ist auch das Sputtern von nichtleitenden Materialien möglich. Zum anderen werden beim reaktiven Sputtern zusätzlich zum Argon noch andere Gase eingelassen wie Sauerstoff oder Stickstoff, um oxidische bzw. nitridische Filme herzustellen. 1.2 Die Sputterparameter Die resultierenden Schichteigenschaften können gezielt durch die Einstellung der folgenden Sputterparameter gesteuert werden: Der Sputterstrom I sp bestimmt im wesentlichen die Rate des Depositionsprozesses und damit die Zeit, die den auftreffenden Teilchen beim Schichtwachstum zur Oberflächendiffusion und Anlagerung an bestehende Wachstumskeime oder Keimbildung mit anderen Adatomen bleibt. Die anliegende Spannung bestimmt die maximale Energie, mit der die abgesputterten Teilchen aus dem Target austreten können (natürlich vermindert um die Bindungsenergie). Die Energie der abgetragenen Teilchen folgt einer breiten Verteilung mit dem Maximum typischerweise zwischen 1 ev und 10 ev [7, 4]. Die anliegende Spannung bestimmt außerdem den Sputter Yield, also die Anzahl abgetragener Teilchen pro auftreffendem Ion. 2

3 Der Druck p im Rezipienten bestimmt für das abgesputterte Material die mittlere freie Weglänge λ, die proportional zu 1/p ist. Zusammen mit dem Target Substrat Abstand (T S) entscheidet der Druck darüber, wie viele Stöße die Teilchen auf dem Weg zum Substrat erfahren und entsprechend, wie groß ihre verbleibende kinetische Energie bei der Deposition auf dem Substrat ist. Z.B. lassen sich dadurch deutliche Unterschiede unter anderem in der Porosität der Filme erreichen. Aber auch die Kristallinität kann dadurch bei geeigneten Systemen beeinflußt werden [2, 3]. Über die Gasmischung wird bei dem hier praktizierten Sputtern vom metallischen Target die Stöchiometrie der Filme eingestellt. Der Sauerstofffluß q(o 2 ) ist hier der variierte Parameter, der gewünschte Gesamtdruck wird durch Regeln des Argonflusses q(ar) konstant gehalten. Die Substrattemperatur kann massiv das Aufwachsverhalten im Hinblick auf die Kristallinität oder die Dichte der Probe beeinflussen. Sie kann durch eine Heizvorrichtung von Raumtemperatur auf bis zu 500 C eingestellt werden. Aber auch bei der Deposition auf ein nicht extern geheiztes Substrat kommt es insbesondere bei dicken Schichten und damit langen Sputterzeiten zu erheblichen Erwärmungen des Substrates, siehe dazu auch [9, 6]. Prinzipiell kann am Substrat eine BiasSpannung von üblicherweise bis zu ±100 V angelegt werden, um gezielt Ionen oder Elektronen auf das Substrat zu beschleunigen oder vom Auftreffen auf das Substrat abzuhalten. Wieder werden in der Literatur Einflüsse auf das Schichtwachstum berichtet [10, 11]. Im Normalfall liegen Substrat und Targetoberfläche in zueinander parallelen Ebenen. Eine Variation des Depositionswinkels (auch: Sputtern unter schrägem Einfall) läßt sich durch Verkippen des Substrates erreichen. Dadurch ergeben sich eine neue Vorzugsrichtung beim Schichtwachstum und eventuell anisotrope Filme. Die Targetgeometrie oder besser das Targetalter und die damit zunehmende Tiefe des Erosionsgrabens beeinflussen die Hauptsputterrichtung und damit die laterale Beschaffenheit der Filme [9, 6]. 2 Die Sputteranlage Alle untersuchten optischen Funktionsschichten werden in einer von Stollenwerk [7] am I. Physikalischen Institut aufgebauten Sputteranlage hergestellt. In den Boden des zylinderförmigen Rezipienten können bis zu sechs kreisförmig angeordnete Targets eingebaut werden, so daß auch komplexere Schichtsysteme hergestellt werden können, ohne zwischen der sukzessiven Beschichtung das Vakuum brechen zu müssen. Die Targets besitzen einen Durchmesser von 76 mm und ermöglichen es aufgrund dieser relativ geringen Größe, auch exotischere Materialien als Target herstellen zu lassen und zu einem akzeptablen Preis auf die erreichbaren Schichteigenschaften hin zu testen. Sie sind auf einem wasserdurchflossenen Kupferkörper 3

4 mass Spectro meter Substrate holder & lid Turbopump 1 out of 6 targets Abbildung 2: Die geöffnete Sputteranlage und der Deckel mit Probenhalter im Hintergrund. aufgebondet, über den zum einen die beim Sputtern eingetragene Wärme abgeführt wird, zum anderen die elektrische Kontaktierung erfolgt. Eine über den Targets drehbar angebrachte Targetblende stellt sicher, daß immer nur das gerade gezündete Target offenliegt und die benachbarten Targets nicht ungewollt beschichtet werden. Den Targets gegenüber befindet sich unter dem Anlagendeckel ein an einer Drehdurchführung hängender Substratteller, der bis zu 24 Proben typischerweise Objektträger der Größe 26 mm 76 mm, aber auch Siliziumwafer oder andere Substrate aufnehmen kann. Dadurch ergeben sich für die große Zahl an Proben eines Beschichtungsganges ( Charge ) reproduzierbare Verhältnisse und eine gute Vergleichbarkeit. Der Abstand zwischen Target und Substrat ist durch die Höhe des Rezipienten auf maximal 78 mm beschränkt, minimal liegt er bei ca. 50 mm, da für geringere Abstände der Plasmaprozeß gestört wird. Das zu beschichtende Substrat wird über das gezündete Target gedreht und verbleibt dort stationär, bis die gewünschte Schichtdicke als Produkt d = rt S aus Sputterrate und Sputterzeit erreicht ist. Zum Beschichten der nächsten Probe wird der Teller um einen Platz weitergedreht. Eine zweite Blende, die Substratblende direkt unter dem Teller zum 4

5 Target hin, bewirkt, daß immer nur die genau dem aktiven Target gegenüberliegende Probe dem Beschichtungsprozeß ausgesetzt ist. Die Probenbewegung kann entweder manuell oder computergesteuert mit einem Motor vorgenommen werden. Mit letzterer wird eine Reproduzierbarkeit in der Beschichtungszeit von ca. 0,1 s erreicht [8]. An die Stelle der Substrate kann auch ein Schwingquarz gebracht werden, der zur Grundcharakterisierung des Sputterverhaltens eines Targets an einem neuen Arbeitspunkt verwendet wird. Die Spannung am Target wird über ein Plasmanetzgerät mit Arc Unterdrückung der Firma ELAN angelegt. Maximal sind 600 V bei 1,2 A Stromfluß möglich. Die Schichten wurden bei konstant gehaltenem Strom I sp hergestellt. Das Netzgerät ermöglicht aber auch einen Beschichtungsmodus bei konstanter Leistung oder konstanter Spannung. Alternativ steht noch ein für den Betrieb eines Lasers am Institut entwickeltes Netzgerät auf Röhrenbasis zur Verfügung. Die Regelung ist entsprechend träger und beinhaltet keine ArcUnterdrückung, dafür ist aber dank der maximal einstellbaren Spannung von 3 kv auch der Betrieb von schwer zündbaren Targets möglich. Der erreichbare Restdruck vor Beschichtungsbeginn liegt bei ca Pa, das Volumen der Kammer beträgt ungefähr 150 Liter. Die Gaszufuhr während des Sputterprozesses wird von bis zu 4 Massenflußreglern (engl. Mass Flow Controller, MFC) gesteuert. Die Reinheit des verwendeten Argons und Sauerstoffs beträgt jeweils 5N. Meist wird der Sauerstoffeinlaß q(o 2 ) fest eingestellt und der gewünschte Druck (typ. 0, Pa) durch Variation des Argonflusses konstant gehalten. Zudem steht ein Massenspektrometer zur Verfügung, mit dem die aktuelle Gaszusammensetzung im Rezipienten und der resultierende Einfluß auf das Schichtwachstum ermittelt werden kann. Dies ist besonders aufgrund möglicher Hystereseeffekte, wenn der Sauerstoffanteil im Rezipienten geändert wird, eine wichtige Kenngröße. Ein Plasmamonitor ermöglicht die Analyse der emittierten Plasma Spektrallinien und dadurch wiederum Rückschlüsse auf den Sputterprozeß. Alle genannten Prozeßparameter stehen als analoge Meßsignale mit einer Ausgangsspannung von V zur Verfügung. Über eine 12 bit AnalogDigital Wandlerkarte mit maximal 16 Eingängen werden diese Werte zur Prozeßkontrolle mit dem PC aufgezeichnet. 5

6 Literatur [1] Hartmut Frey, editor. Band 1, Plasmaphysik Plasmadiagnostik Analytik. Vakuumbeschichtung. VDIVerlag, Düsseldorf, ISBN [2] Oliver Kappertz. In Vorbereitung. Dissertation, RWTH Aachen. [3] Oliver Kappertz, Robert Drese, and Matthias Wuttig. Correlation between structure, stress and deposition parameters in DCsputtered zinc oxide films. submitted to: Journal of Vacuum Science and Technology A. [4] Gerhard Kienel and Klaus Röll, editors. Band 2, Verfahren und Anlagen. Vakuumbeschichtung. VDIVerlag, Düsseldorf, ISBN X. [5] Thomas Luyven. Dünnschichtsysteme für LowEAnwendungen: Der Einfluß des Sputterns auf Silberfilme in Mehrschichtsystemen. Dissertation, RWTH Aachen, [6] Christian Salinga, Hansjörg Weis, and Matthias Wuttig. Gasochromic switching of tungsten oxide films: A correlation between film properties and coloration kinetics. submitted to: Thin Solid Films, [7] Johannes Stollenwerk. Reaktives Sputtern von Oxidfilmen Herstellung dielektrischer dünner Schichten für technische Anwendungen. Dissertation, RWTHAachen, Aachen, ISBN [8] Hansjörg Weis. Thermisch belastbare 3SchichtSysteme für Wärmefunktionsgläser. Diplomarbeit, RWTH Aachen, [9] Hansjörg Weis. Untersuchung gasochrom schaltender Wolframoxide. Dissertation, RWTH Aachen, in Vorbereitung. [10] R. Wendt and K. Ellmer. Desorption of Zn from a growing ZnO:Alfilm deposited by magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 93(1):27 31, [11] R. Wendt, K. Ellmer, and K. Wiesemann. Thermal power at a substrate during ZnO:Al thin film deposition in a planar magnetron sputtering system. J. Appl. Phys., 82(5): ,