DE19932444C1 - Production of a texture layer made of an oxide material on a substrate comprises partially fading out sputter ions that are scattered back from the sputtering target so that the larger part - Google Patents
Production of a texture layer made of an oxide material on a substrate comprises partially fading out sputter ions that are scattered back from the sputtering target so that the larger partInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer texturierten Schicht aus einem oxidischen Material auf einem Substrat mittels Absputterns eines entsprechenden Sput tertargets durch Sputterionen, wobei während des Beschich tungsprozesses zusätzlich ein Strahl von Gasionen schräg auf das Substrat unter einem vorbestimmten Winkel gerichtet wird. Ein derartiges Verfahren ist z. B. der Veröffentlichung "Phy sica C", Vols. 185 bis 189, 1991, Seiten 1959 bis 1960 zu entnehmen. Die Erfindung betrifft ferner eine besondere Ver wendung dieses Verfahrens.The invention relates to a method of manufacture a textured layer of an oxidic material a substrate by sputtering off a corresponding sput tertargets by sputtering ions, whereby during the coating a gas ion beam at an angle the substrate is directed at a predetermined angle. Such a method is e.g. B. the publication "Phy sica C ", Vols. 185 to 189, 1991, pages 1959 to 1960 remove. The invention further relates to a particular Ver using this procedure.
Das vorerwähnte Verfahren wird insbesondere auch bei der Her stellung von Schichten aus supraleitenden Metalloxidverbin dungen mit hoher Sprungtemperatur Tc von über 77 K einge setzt. Unter diese auch als Hoch-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichneten Verbindungen, die insbeson dere eine Flüssig-Stickstoff(LN2)-Kühltechnik erlauben, fal len Cuprate auf Basis spezieller Stoffsysteme wie das vom Ba sistyp (RE)-M-Cu-O, wobei die Komponente RE wenigstens ein Seltenes Erdmetall (Rare Earth) einschließlich Y und die Kom ponente M wenigstens ein Erdalkalimetall enthalten. Hauptver treter dieses Typs ist das Material YBa2Cu3Ox (sogenanntes "YBCO"). Weiterhin sind als HTS-Materialien auch selten-erd freie Cuprate mit fünf oder mehr Komponenten bekannt. Ein entsprechender Basistyp ist Bi-(M1, M2)-Cu-O, wobei die Kompo nenten M1 und M2 Erdalkalimetalle sind. Hauptvertreter dieses Typs sind das Bi2Sr2Ca1Cu2Oy oder das (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Oz (soge nanntes "BSCCO" bzw. "B(P)SCCO").The above-mentioned method is used in particular in the manufacture of layers of superconducting metal oxide compounds with a high transition temperature T c of over 77 K. Among these compounds, also known as high-T c superconductor materials or HTS materials, which in particular permit liquid nitrogen (LN 2 ) cooling technology, there are cuprates based on special material systems such as that of the base type (RE) -M- Cu-O, the component RE containing at least one rare earth metal (rare earth) including Y and the component M containing at least one alkaline earth metal. The main representative of this type is the material YBa 2 Cu 3 O x (so-called "YBCO"). Furthermore, rare earth-free cuprates with five or more components are known as HTS materials. A corresponding basic type is Bi- (M1, M2) -Cu-O, the components M1 and M2 being alkaline earth metals. The main representatives of this type are Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O y or (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O z (so-called "BSCCO" or "B (P) SCCO").
Diese bekannten HTS-Materialien versucht man, auf verschiede nen Substraten für unterschiedliche Anwendungszwecke abzu scheiden, wobei im allgemeinen im Hinblick auf eine hohe Stromtragfähigkeit nach möglichst phasenreinem, texturiertem Supraleitermaterial getrachtet wird. Unter einer Texturierung sei hierbei die Ausrichtung der Kristallite eines entspre chenden polykristallinen Gefüges verstanden. Beispielsweise sollen entsprechend großflächige, isolierende Substrate für Strombegrenzeranwendungen beschichtet werden (vgl. z. B. EP 0 829 101 B1).These known HTS materials are tried in various ways NEN substrates for different applications divorce, generally with a view to high Current carrying capacity after phase-pure, textured Superconductor material is sought. Under a texturing let the alignment of the crystallites correspond to one understood polycrystalline structure. For example should have correspondingly large, insulating substrates for Current limiter applications are coated (see e.g. EP 0 829 101 B1).
Bei einem derartigen Supraleiteraufbau wird im allgemeinen das HTS-Material nicht unmittelbar auf dem Substrat abge schieden, sondern dieses Substrat wird zunächst mit minde stens einer dünnen Zwischenschicht, die auch als Puffer schicht (sogenannte Buffer-Schicht) bezeichnet wird, abge deckt. Diese Zwischenschicht mit einer Dicke im allgemeinen in Nanometer- bis Mikrometer-Größenordnung soll das Eindif fundieren von Atomen aus dem Substratmaterial in das HTS- Material verhindern, um eine damit verbundene Verschlechte rung der supraleitenden Eigenschaften zu vermeiden. Zugleich kann mit einer solchen als Diffusionsbarriere dienenden Zwi schenschicht die Oberfläche des Substrats geglättet und die Haftung des HTS-Materials verbessert werden. Entsprechende Zwischenschichten bestehen insbesondere aus Oxiden von Metal len wie z. B. von Zirkon, Cer, Yttrium, Aluminium, Strontium oder Magnesium oder aus entsprechenden Mischoxiden dieser Me talle und sind somit in der Regel elektrisch isolierend.With such a superconductor structure in general the HTS material is not immediately deposited on the substrate divide, but this substrate is first with minde least a thin intermediate layer, which also serves as a buffer layer (so-called buffer layer) is referred to covers. This intermediate layer with a thickness in general in the nanometer to micrometer order of magnitude base atoms from the substrate material into the HTS Prevent material from deteriorating to avoid superconducting properties. At the same time can with such a serving as a diffusion barrier Zwi layer smoothed the surface of the substrate and the Adhesion of the HTS material can be improved. Appropriate Interlayers consist in particular of oxides of metal len such as B. of zirconium, cerium, yttrium, aluminum, strontium or magnesium or from corresponding mixed oxides of these Me talle and are therefore usually electrically insulating.
Neben der Eigenschaft als Diffusionsbarriere soll diese min destens eine Zwischenschicht darüber hinaus die Forderung er füllen, daß sie ein texturiertes Wachstum des auf ihr aufzu bringenden HTS-Materials ermöglicht. Folglich muß die Zwi schenschicht selbst eine entsprechende Textur besitzen. Der entsprechende Übertrag der kristallographischen Orientierung beim Wachstum einer Schicht auf einer chemisch andersartigen Unterlage ist unter dem Begriff "Heteroepitaxie" bekannt. Da bei muß die Zwischenschicht an die Gitterkonstanten des HTS- Materials möglichst gut angepaßte Abmessungen ihrer Einheits zellen besitzen.In addition to the property as a diffusion barrier, this min at least an intermediate layer beyond the requirement fill that they have a textured growth of on top of it bringing HTS material. Consequently, the Zwi layer itself have a corresponding texture. The corresponding transfer of the crystallographic orientation when a layer grows on a chemically different one Document is known under the term "heteroepitaxy". There the intermediate layer must match the lattice constants of the HTS Dimensions of their unit that are as well matched as possible own cells.
Ähnliche Anforderungen sind auch an die Auswahl des Systems "Substrat-Zwischenschicht" zu stellen. Auch hier sind gute Hafteigenschaften anzustreben, wobei zugleich die gewünschte Heteroepitaxie zwischen der Zwischenschicht und der darauf aufwachsenden HTS-Schicht nicht beeinträchtigt werden darf. Darüber hinaus sollte die Zwischenschicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der mit dem des Substrat materials zumindest weitgehend übereinstimmt, um so uner wünschte mechanische Spannungen bei den für Anwendungen der Supraleitungstechnik und der Schichtpräparation unerläßlichen Temperaturzyklen und gegebenenfalls dadurch bedingt Schädi gungen wie Abplatzen zu vermeiden.Similar requirements apply to the selection of the system To put "substrate intermediate layer". Here are good ones too Strive for adhesive properties, while at the same time the desired Heteroepitaxy between the intermediate layer and the one on it growing HTS layer must not be impaired. In addition, the intermediate layer should be thermal Have expansion coefficients that with that of the substrate materials at least largely matches, all the more so desired mechanical stresses for the applications of Superconductivity technology and layer preparation indispensable Temperature cycles and possibly related damage to avoid chipping.
Aus den vorerwähnten Gründen wird bei dem aus der eingangs genannten Literaturstelle zu entnehmenden Verfahren eine dün ne Zwischenschicht aus einem oxidischen Material wie mit Y- stabilisiertem ZrO2 (sogenanntes "YSZ") auf einem metalli schen Substrat (hier aus einer speziellen Ni-Legierung) vor gesehen. Um in der Zwischenschicht die geforderte Textur zu gewährleisten, wird während eines Sputterprozesses zur Be schichtung mit dem Zwischenschichtmaterial ein Strahl von Ga sionen wie z. B. Ar-Ionen unter einem vorbestimmten Winkel schräg auf das Substrat gerichtet. Ein solcher durch einen Ionenstrahl unterstützter Beschichtungsprozeß wird auch als IBAD-(Ion Beam Assisted Deposition)-Verfahren bezeichnet (vgl. z. B. "Journ. Appl. Phys.", Vol. 51, No. 1, Jan. 1984, Seiten 235 bis 242, oder Vol. 71, No. 5, März 1992, Seiten 2380 bis 2386). Es ist nämlich bekannt, daß entsprechende IBAD-Verfahren besonders geeignet sind, die geforderte Textur solcher oxidischer Zwischenschichten auf verschiedenartigen Substraten zu ermöglichen (vgl. z. B. "J. Mater. Res.", Vol. 12, No. 3, März 1997, Seiten 593 bis 595). Auf mit solchen Zwischenschichten versehenen Substraten wird anschließend das HTS-Material abgeschieden, wobei bekannte PVD-Verfahren wie Sputtern, Laserablation, Elektronenstrahlverdampfen, thermi sches Verdampfen insbesondere aus mehreren Verdampferquellen oder auch CVD-Verfahren eingesetzt werden können.For the reasons mentioned above, in the method to be gathered from the literature mentioned at the beginning, a thin intermediate layer made of an oxidic material such as with Y-stabilized ZrO 2 (so-called "YSZ") is placed on a metallic substrate (here made of a special Ni alloy). intended. In order to ensure the required texture in the intermediate layer, a beam of Ga sions such as z. B. Ar ions directed obliquely at a predetermined angle on the substrate. Such a coating process supported by an ion beam is also referred to as an IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) method (cf., for example, "Journ. Appl. Phys.", Vol. 51, No. 1, Jan. 1984, pages 235 to 242, or Vol. 71, No. 5, March 1992, pages 2380 to 2386). It is known that corresponding IBAD processes are particularly suitable for enabling the required texture of such oxidic intermediate layers on different types of substrates (cf., for example, "J. Mater. Res.", Vol. 12, No. 3, March 1997, pages 593 to 595). The HTS material is then deposited on substrates provided with such intermediate layers, whereby known PVD processes such as sputtering, laser ablation, electron beam evaporation, thermal evaporation, in particular from several evaporation sources, or CVD processes can be used.
Es zeigt sich jedoch, daß insbesondere bei großflächigen Be schichtungen nach dem vorerwähnten Verfahren die aufgebrach ten Schichten verhältnismäßig inhomogen bzgl. ihrer Gitter ordnung sind und folglich auf solchen Schichten aufgebrachte HTS-Schichten eine entsprechende inhomogene Stromtragfähig keit bzw. kritische Stromdichte aufweisen.It turns out, however, that especially with large Be layers applied according to the aforementioned method layers relatively inhomogeneous with respect to their lattice are order and consequently applied to such layers HTS layers have a corresponding inhomogeneous current carrying capacity speed or critical current density.
Entsprechende Probleme sind auch für HTS-Schichten gegeben, die nach dem aus der genannten Literaturstelle "J. Mater. Res." Bekannten IBAD-Verfahren auf rotierende zylindrische Substratflächen aufgebracht wurden. Bei diesem bekannten Ver fahren treffen abgesputterte Targetteilchen aus dem HTS- Material zusammen mit einem zusätzlichen Ionenstrahl jeweils auf einen Ausschnitt der zylindrischen Substratoberfläche auf. Dabei ist dieser Ausschnitt durch eine fensterartige, von zwei Ausblendschirmen begrenzte Öffnung festgelegt. Diese Öffnung ist jedoch in Umfangsrichtung des rohrförmigen Sub strates gesehen so groß gewählt, daß mindestens ein Viertel der gesamten Oberfläche von den abgesputterten Targetteilchen erfaßt werden. Die wegen der Krümmung der Oberfläche damit verbundenen Inhomogenitäten der Abscheidung sollen durch die Rotation des Substrates kompensiert werden. Dies macht im Hinblick auf ein epitaktisches Wachstum eine sehr genaue Ein stellung der einzelnen Verfahrensparameter erforderlich. Der apparative Aufwand ist dementsprechend hoch.Corresponding problems also exist for HTS layers, which according to the "J. Mater. Res. "Known IBAD method on rotating cylindrical Substrate areas were applied. In this known ver drive hit sputtered target particles from the HTS Material together with an additional ion beam each on a section of the cylindrical substrate surface on. This section is characterized by a window-like, limited opening defined by two blanking screens. This However, opening is in the circumferential direction of the tubular sub seen strates chosen so large that at least a quarter the entire surface of the sputtered target particles be recorded. The one because of the curvature of the surface associated inhomogeneities of the deposition should be caused by the Rotation of the substrate can be compensated. This makes in A very accurate one in terms of epitaxial growth the individual process parameters must be set. The Equipment expenditure is accordingly high.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß Inhomogenitäten bzgl. der kritischen Stromdichte mit ver hältnismäßig geringem apparativen Aufwand für beliebige Sub stratoberflächen zu erreichen sind. The object of the present invention is to use the method to design the characteristics mentioned at the beginning, that inhomogeneities with respect to the critical current density with ver relatively little equipment for any sub strat surfaces can be reached.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von dem Sputtertarget rückgestreute Sputterionen bezüglich eines Auftreffens auf das Substrat zumindest teilweise so ausge blendet werden, daß zumindest der größere Teil der rückge streuten Sputterionen höchstens auf einen Randbereich der zu beschichtenden Fläche des Substrats auftrifft. Unter dem Beg riff "Substrat" wird in diesem Zusammenhang die Fläche oder Teilfläche eines Körpers verstanden, die die geforderte Homo genitätsverbesserung aufweisen soll. Mit der Ausblendung wird verhindert, daß zumindest der größere Teil der rückgestreuten Sputterionen auf die zu beschichtende Fläche gelangt. Dabei sollen unter "rückgestreuten" Ionen auch solche verstanden werden, die an oder aus dem Target reemittiert worden sind.This object is achieved in that sputter ions backscattered to the sputtering target with respect to a Impinging on the substrate at least partially so be blinded that at least the majority of the Rückge Scattered sputtering ions at most to an edge area of the coating surface of the substrate. Under the Beg riff "substrate" in this context is the area or Part of a body understood that the required homo improved genetics. With the fade out prevents at least the greater part of the backscattered Sputter ions get on the surface to be coated. there “backscattered” ions are also to be understood as meaning those that have been re-emitted to or from the target.
Der Erfindung liegt nämlich die Erkenntnis zugrunde, daß bei dem bekannten Verfahren das Problem auftritt, daß ein Teil der Sputterionen vom Sputtertarget rückgestreut wird. Treffen dann diese entsprechenden Sputterteilchen mit hoher Intensi tät auf das Substrat auf, so können sie den dort aufwachsen den Film schädigen. D. h., diese Sputterionen haben einen ent scheidenden Einfluß auf die Homogenität der hergestellten Schichten. Sollen dann diese Schichten als Unterlage für eine weitere epitaktisch aufwachsende Deckschicht z. B. aus einem HTS-Material dienen, so bestimmt die Homogenität einer ent sprechenden Zwischenschicht die Qualität der darauf aufwach senden Deckschicht. Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestal tung des Verfahrens verbundenen Vorteile sind folglich darin zu sehen, daß wegen der zumindest teilweisen Verhinderung des Auftreffens von unerwünschten rückgestreuten Sputterionen auf dem Substrat Schichten mit guter Textur und Homogenität zu erhalten sind, die insbesondere auch als Unterlage für Deck schichten wie z. B. aus einem HTS-Material mit entsprechender Qualität dienen können.The invention is based on the knowledge that at the known method the problem arises that a part the sputtering ions are backscattered from the sputtering target. To meet then these corresponding sputter particles with high intensi act on the substrate, so you can grow it there damage the film. That is, these sputter ions have an ent decisive influence on the homogeneity of the manufactured Layers. Then these layers should be used as a base for one further epitaxially growing top layer z. B. from one Serve HTS material, so determines the homogeneity of an ent speaking intermediate layer the quality of the wake up on it send top layer. With the Ausgestal invention advantages of the method are consequently in it to see that because of the at least partial prevention of the Impact of unwanted backscattered sputter ions layers with good texture and homogeneity to the substrate are preserved, especially as a base for the deck layers such as B. from a HTS material with the corresponding Quality can serve.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Advantageous embodiments of the method according to the invention emerge from the dependent claims.
Die zumindest teilweise Ausblendung der schädigenden Sput terionen kann vorteilhaft durch eine besondere Anordnung bzw. Ausrichtung des Substrats bezüglich des Sputtertargets erfol gen. Es wurde nämlich erkannt, daß durch eine geeignete rela tive Positionierung von Sputterionenquelle, Sputtertarget und Substrat zu erreichen ist, daß die schädigenden Ionen unter einem anderen Winkel aus dem Sputtertarget austreten als die abgesputterten Teilchen des Targetmaterials. Entsprechende Maßnahmen sind der genannten Literaturstelle "J. Mater. Res." nicht zu entnehmen.The at least partial masking of the harmful sput terions can advantageously by a special arrangement or Alignment of the substrate with respect to the sputtering target gen. It was recognized that through a suitable rela tive positioning of sputter ion source, sputter target and To achieve substrate is that the harmful ions under emerge from the sputtering target at a different angle than that sputtered particles of the target material. Appropriate Measures are the reference "J. Mater. Res." not to be removed.
Aus diesem Grunde ist es gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, daß Blenden zu einem zumindest teilweisen Abschirmen des Substra tes bezüglich rückgestreuten Sputterionen vorgesehen werden.For this reason, it is according to another advantageous one Embodiment of the method according to the invention possible that Blinds to at least partially shield the substra tes with respect to backscattered sputter ions.
Der Ausblendungseffekt kann vorteilhaft auch dadurch erreicht werden, daß ein Sputtertarget mit einer solchen Oberflächen struktur vorgesehen wird, daß die rückgestreuten Sputterionen höchstens auf den Randbereich der zu beschichtenden Fläche des Substrats auftreffen. Eine hierfür geeignete Oberflächen struktur hat vorteilhaft eine Sägezahngestalt. Der Einfalls winkel der Sputterionen auf den Flanken dieser Sägezahnge stalt wird dann so gewählt, daß die schädlichen Sputterionen aus dem Target unter einem Winkel austreten, daß sie nur die Randbereiche des zu beschichtenden Substrates erfassen kön nen. The masking effect can advantageously also be achieved in this way that a sputtering target with such surfaces structure is provided that the backscattered sputter ions at most on the edge area of the surface to be coated of the substrate. A suitable surface for this structure advantageously has a sawtooth shape. The idea angle of the sputtering ions on the flanks of this sawtooth Stalt is then chosen so that the harmful sputter ions emerge from the target at an angle such that they are only the Can capture edge areas of the substrate to be coated nen.
stalt wird dann so gewählt, daß die schädlichen Sputterionen aus dem Target unter einem Winkel austreten, daß sie nur die Randbereiche des zu beschichtenden Substrates erfassen kön nen.Stalt is then chosen so that the harmful sputter ions emerge from the target at an angle such that they are only the Can capture edge areas of the substrate to be coated nen.
Eine weitere Verringerung des schädigenden Einflusses von von dem Sputtertarget rückgestreuten Sputterionen auf die noch von ihnen erreichbaren Bereiche der zu beschichtenden Sub stratfläche kann vorteilhaft durch eine Begrenzung der Ener gie und/oder der Intensität dieser auf das Substrat noch auf treffenden Ionen erreicht werden. Hierzu kann vorteilhaft das Substrat bewegt werden. Durch ein derartiges Bewegen des Sub strates kann die Dosis der rückgestreuten Sputterionen gleichmäßig auf das ganze Substrat verteilt werden. Hierdurch sinkt die Intensität der rückgestreuten Sputterionen auf dem gesamten Substrat homogen unter ein schädliches Niveau ab.A further reduction in the harmful influence of backscattered sputtering ions to the sputtering target areas of the sub to be coated accessible from them strat area can be advantageous by limiting the energy gy and / or the intensity of this on the substrate hit ions can be achieved. This can be advantageous Substrate are moved. By moving the sub strates can dose the backscattered sputtering ions evenly distributed over the entire substrate. Hereby the intensity of the backscattered sputter ions on the entire substrate homogeneously below a harmful level.
Man kann aber auch vorteilhaft andere Sputterionen als die üblicherweise verwendeten Ar-Ionen vorsehen. Vorzugsweise werden solche Ionen vorgesehen, die zu einer höheren Ausbeute an abgesputterten Ionen (sogenanntes "sputter yield") führen, d. h., die pro Sputterion eine größere Anzahl von Targetatomen zerstäuben. Hierzu sind insbesondere Xe-Ionen geeignet.But you can also advantageously other sputtering ions than that Provide commonly used Ar ions. Preferably such ions are provided that lead to a higher yield lead to sputtered ions (so-called "sputter yield"), d. i.e., a larger number of target atoms per sputterion atomize. Xe ions are particularly suitable for this.
Außerdem läßt sich vorteilhaft eine Energie der Sputterionen zwischen 500 und 1500 eV vorsehen. Denn Sputterionen mit ei ner vergleichsweise höheren Energie führen zu einem Anstieg der von den rückgestreuten Sputterionen in das Substrat ein gebrachten Energie. Der dabei auftretende Anstieg der Sput terrate vollzieht sich in geringerem Maße, so daß das Ver hältnis von rückgestreuten Sputterionen zu abgesputterten Teilchen höher, d. h. ungünstiger wird.In addition, an energy of the sputter ions can advantageously be used provide between 500 and 1500 eV. Because sputter ions with egg comparatively higher energy lead to an increase that of the backscattered sputter ions into the substrate brought energy. The increase in sput that occurs terrate takes place to a lesser extent, so that the ver ratio of backscattered sputterions to sputtered Particles higher, d. H. becomes less favorable.
Darüber hinaus kann vorteilhaft in der Zeiteinheit eine An zahl von Elektronen erzeugt werden, die mindestens um einen Faktor 2 größer als die Anzahl der erzeugten Sputterionen ist. Mit einer größeren Anzahl an freien Elektronen ist näm lich generell der Einfluß der rückgestreuten Sputterionen auf das Substrat zu verringern.In addition, an On can be advantageous in the time unit number of electrons are generated that are at least one Factor 2 greater than the number of sputter ions generated is. With a larger number of free electrons is näm generally the influence of the backscattered sputter ions to reduce the substrate.
Ferner ist vorteilhaft ein Sputtertarget statt aus einem oxi dischen Material der auszubildenden Schicht aus einem nur die metallischen Komponenten des Schichtmaterials aufweisenden Material vorzusehen. Der erforderliche Sauerstoff wird dann zumindest während des Beschichtungsprozesses, gegebenenfalls auch noch danach, durch eine Sauerstoff enthaltende Atmosphä re zur Verfügung gestellt. Damit ist der Vorteil verbunden, daß das Verhältnis von rückgestreuten Sputterionen zu zer stäubten Targetatomen kleiner, d. h. günstiger wird, da die Sputterausbeute ("sputter yield") eines metallischen Targets im allgemeinen höher ist als die eines Targets aus den ent sprechenden Oxiden.It is also advantageous to use a sputtering target instead of an oxi The material of the layer to be trained from only one metallic components of the layer material To provide material. The oxygen required is then at least during the coating process, if necessary even afterwards, through an atmosphere containing oxygen re provided. This has the advantage that the ratio of backscattered sputter ions to zer dusted target atoms smaller, i. H. becomes cheaper because the Sputter yield of a metallic target is generally higher than that of a target from the ent speaking oxides.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft zur Abscheidung einer texturierten Zwischenschicht verwendet wer den, auf der eine Deckschicht aus einem oxidischen Supralei termaterial mit hoher Sprungtemperatur aufzubringen ist. Denn solche erfindungsgemäß hergestellte (Zwischen-)Schichten kön nen die Basis für qualitativ hochwertige Deckschichten aus entsprechenden HTS-Materialien bilden.The method according to the invention can be particularly advantageous for Deposition of a textured intermediate layer is used the one on which a top layer made of an oxide supralei Term material with a high crack temperature is to be applied. Because such (intermediate) layers produced according to the invention can provide the basis for high-quality cover layers form appropriate HTS materials.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auf poly kristallinen oder amorphen Substraten auch andere oxidische Schichten wie z. B. aus ferroelektrischen oder ferromagneti schen Materialien hergestellt werden, falls von diesen Mate rialien eine hohe kristalline Ordnung (Textur) gefordert wird.With the method according to the invention, however, poly crystalline or amorphous substrates also other oxidic Layers such as B. from ferroelectric or ferromagneti materials, if made of these materials high crystalline order (texture) is required becomes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Figuren noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematischThe invention is described below with reference to exemplary embodiments len explained with reference to the figures. Each shows schematically
deren Fig. 1 im Schnitt den prinzipiellen Aufbau einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung, the Fig. 1 in cross-section the basic design of an apparatus suitable for carrying out the inventive device,
deren Fig. 2 und 3 die gegenseitige Positionierungsmög lichkeiten einer Ionenquelle, eines Sputtertar gets und eines Substrats innerhalb einer derar tigen Vorrichtung undtheir Fig. 2 and 3, the mutual possibilities Positionierungsmög an ion source, a Sputtertar and gets a substrate within a device Derar term and
deren Fig. 4 eine besondere Ausgestaltung eines Sputtertar gets.gets its FIG. 4, a particular embodiment of a Sputtertar.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are the same in the figures Provide reference numerals.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die in Fig. 1 angedeutete, allgemein mit 2 bezeichnete Beschich tungsvorrichtung dienen. Entsprechende Vorrichtungen sind prinzipiell bekannt. Gemäß der dargestellten Ausführungsform enthält die Vorrichtung innerhalb einer auf Erdpotential lie genden, abpumpbaren und mit einem Gas wie z. B. Sauerstoff füllbaren Beschichtungskammer 3 eine Ionenquelle 4. Diese Quelle erzeugt einen Strahl 5 von Sputterionen 5a, beispiels weise Argon-Ionen mit einer Energie vorzugsweise zwischen 500 und 1500 eV. In der Figur ist die Intensitätsverteilung in dem Strahl 5 durch eine entsprechende Verteilungskurve 5b an gedeutet. Die Sputterionen treffen schräg auf ein Target 7 aus einem vorbestimmten, beispielsweise oxidischen Targetma terial auf und lösen dort aus dessen Oberfläche Materialteil chen 8a heraus bzw. sputtern dieses Material ab. Das so abge sputterte Targetmaterial bildet einen durch gestrichelte Li nien teilweise angedeuteten Teilchenstrahl 8. Dabei ist des sen etwa mittiger Strahlbereich maximaler Intensität durch eine gepfeilte Linie S1 veranschaulicht.To carry out the method according to the invention, the coating device indicated in FIG. 1, generally designated 2, can be used. Corresponding devices are known in principle. According to the illustrated embodiment, the device contains within a lie to earth potential, pumpable and with a gas such as. B. oxygen fillable coating chamber 3 an ion source 4th This source generates a beam 5 of sputter ions 5 a, for example argon ions with an energy preferably between 500 and 1500 eV. In the figure, the intensity distribution in the beam 5 is indicated by a corresponding distribution curve 5 b. The sputter ions meet obliquely on a target 7 made of a predetermined, for example oxidic Targetma material and release there from the surface material particles Chen 8 a or sputter this material. The sputtered target material forms a particle beam 8 partially indicated by dashed lines. The approximately central beam area of maximum intensity is illustrated by an arrowed line S1.
Dem Teilchenstrahl 8 wird ein dem Target 7 etwa gegenüberlie gendes Substrat 9 ausgesetzt. Das Substrat ist an einer nicht dargestellten Halterung befestigt, die gegebenenfalls je nach geforderten Abscheidetemperaturen kühl- oder heizbar ist. Auf dem Substrat scheidet sich dann das abgesputterte Targetmate rial als eine Schicht 10 ab. The particle beam 8 is exposed to a target 7 approximately opposite lying substrate 9 . The substrate is attached to a holder, not shown, which can be cooled or heated depending on the required deposition temperatures. The sputtered target material then deposits as a layer 10 on the substrate.
Zur Gewährleistung eines Aufwachsens dieser Schicht 10 mit einer hinreichend guten Textur bei dem Abscheidungsprozeß wird zusätzlich das Substrat bzw. das auf ihm bereits abge schiedene Targetmaterial einem Beschuß durch einen weiteren Strahl 12 von Gasionen 12a z. B. aus Argon mit verhältnismäßig niedriger Energie von beispielsweise 100 bis 500 eV ausge setzt. Diese Ionen werden von einer besonderen, ebenfalls in der Beschichtungskammer 3 untergebrachten Ionenquelle 13 er zeugt und weisen eine ähnliche Intensitätsverteilung 12b wie in dem Strahl 5 auf. Sie treffen schräg unter einem vorbe stimmten Einfallswinkel auf die Substratoberfläche auf. Der Winkel α zwischen der Linie maximaler Intensität des Strahls 12 und der Substratoberfläche liegt dabei im allgemeinen zwi schen 30 und 60°.To ensure growth of this layer 10 with a sufficiently good texture in the deposition process, the substrate or the target material already deposited on it is additionally subjected to bombardment by a further beam 12 of gas ions 12 a z. B. from argon with relatively low energy from, for example, 100 to 500 eV. These ions are generated by a special ion source 13 , which is also accommodated in the coating chamber 3 , and have a similar intensity distribution 12 b as in the beam 5 . They hit the substrate surface obliquely at a predetermined angle of incidence. The angle α between the line of maximum intensity of the beam 12 and the substrate surface is generally between 30 and 60 °.
Das Substratmaterial kann ein amorphes oder kristallines Zu standsgefüge aufweisen, das die geforderte Textur der Schicht 10 zumindest weitgehend unbeeinflußt lassen soll. Häufig wird das Substratmaterial amorph sein, wie insbesondere im Fall von Gläsern, oder polykristallin wie im Fall von Keramiken. Bei einem Glasmaterial kann es sich beispielsweise um ein spezielles Silikatglas wie ein Boro- oder Aluminiumsilikat glas handeln. Auch Glas-Keramiken kommen in Frage. Falls ein kristallines Substrat wie z. B. aus einem metallischen Werk stoff verwendet werden soll, ist zu gewährleisten, daß die kristalline Ordnung des Substrates bei der Abscheidung in der Schicht 10 nicht in Konkurrenz zur Texturierungsmaßnahme be züglich dieser Schicht tritt. Als metallische Substratmate rialien sind hierfür beispielsweise Ni-Legierungen geeignet. Beispiele solcher Legierungen sind unter dem Handelsnamen "Hastelloy" oder "Inconel" bekannt. Weitere Metalle für Sub strate sind z. B. Cu, Ag, Ta, W und deren Legierungen.The substrate material can have an amorphous or crystalline structure, which should at least largely unaffected the required texture of the layer 10 . Often the substrate material will be amorphous, as in the case of glasses in particular, or polycrystalline as in the case of ceramics. A glass material can be, for example, a special silicate glass such as a borosilicate or aluminum silicate glass. Glass ceramics are also an option. If a crystalline substrate such. B. from a metallic material to be used, it must be ensured that the crystalline order of the substrate during the deposition in the layer 10 does not compete with the texturing measure with respect to this layer. For example, Ni alloys are suitable as metallic substrate materials. Examples of such alloys are known under the trade names "Hastelloy" or "Inconel". Other metals for sub strates are e.g. B. Cu, Ag, Ta, W and their alloys.
Die Schicht 10 aus dem abgeschiedenen Targetmaterial, deren Dicke im allgemeinen zwischen 0,01 und 5 µm liegt, aber auch noch größer sein kann, muß eine Textur mit einer kristallinen Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats aufweisen. D. h., sie soll kristallographisch so ausgerichtet sein, daß eine ihrer Kristallachsen in Richtung der Substratnormalen zeigt. Zusätzlich kann angestrebt werden, daß die Ausrichtung der verbleibenden zwei Kristallachsen in der Substratebene beein flußbar ist. Eine entsprechende Textur wird als biaxial be zeichnet. Im Idealfall besteht auch in der Schichtebene eine Ausrichtung der Kristallachsen, so daß dann eine zumindest nahezu einkristalline Schicht vorliegt.The layer 10 of the deposited target material, the thickness of which is generally between 0.01 and 5 μm, but can also be greater, must have a texture with a crystalline axis perpendicular to the surface of the substrate. That is, it should be oriented crystallographically so that one of its crystal axes points in the direction of the substrate normal. In addition, it can be striven for that the alignment of the remaining two crystal axes in the substrate plane is influenced. A corresponding texture is called biaxial. Ideally, there is also an alignment of the crystal axes in the layer plane, so that an at least almost single-crystalline layer is then present.
Über die Texturierung hinaus kann die Schicht 10 gegebenen falls auch als eine Diffusionssperre wirken, um eine Diffu sion des Materials einer eventuell auf ihr abgeschiedenen weiteren (Deck-)Schicht in das Substratmaterial und/oder um gekehrt von Bestandteilen des Substrats in die Deckschicht zu unterbinden.In addition to the texturing, the layer 10 can optionally also act as a diffusion barrier in order to prevent diffusion of the material of a possibly further (top) layer deposited thereon into the substrate material and / or vice versa of constituents of the substrate in the top layer .
Das gewählte Ionenstrahlsputtern als Beschichtungsprozeß stellt einen die Texturierung der Schicht 10 fördernden Pro zeß dar. Zusätzlich wird durch den auf das Substrat gerichte ten Ionenstrahl 12 die geforderte Texturierung gefördert. Die Energie der entsprechenden Ionen liegt dabei im allgemeinen zwischen 100 und 500 eV. Ein derartiger Beschichtungsprozeß wird auch als IBAD-Verfahren bezeichnet.The selected ion beam sputtering as a coating process represents a process which promotes the texturing of the layer 10. In addition, the required texturing is promoted by the ion beam 12 directed onto the substrate. The energy of the corresponding ions is generally between 100 and 500 eV. Such a coating process is also referred to as an IBAD process.
Geeignete Schichtmaterialien sind oxidische Materialien. Hierbei kann es sich um reine Metalloxide handeln wie MgO, Pr6O11, CaO, CeO2, Y2O3 oder ZrO2 handeln. Daneben sind auch oxidische Verbindungen wie z. B. Titanate, Aluminate, Gallate oder Manganate geeignet. Entsprechende Beispiele sind SrTiO3, BaTiO3, LaAlO3, NdGaO3 oder La0,67Ba0,33MnO3. Allen diesen Mate rialien können in an sich bekannter Weise noch weitere Ele mente als Substituenten hinzugefügt sein, so daß die vorge nannten Materialien dann als Basismaterialien für die weite ren Elemente anzusehen sind. Ein entsprechendes Beispiel wäre das (Ba, Sr)TiO3. Ferner sind mit Seltenen Erdmetallen dotier te oxidische Materialien abscheidbar. Hierunter fällt das vorerwähnte, mit Y-dotierte ZrO2, das sogenannte YSZ, das mit dem Y voll- oder teilstabilisiert ist. Darüber hinaus ist auch mit Gd-dotiertes CeO2 geeignet. Ferner kommen mit Ce dotierte Stoffe wie z. B. Ce in CaO oder in Y2O3 in Frage (vgl. "Gmelin Handbook", RE Main Vol. E1, 1992, Kap. 1.3.3).Suitable layer materials are oxidic materials. These can be pure metal oxides such as MgO, Pr 6 O 11 , CaO, CeO 2 , Y 2 O 3 or ZrO 2 . In addition, oxidic compounds such as. B. Titanates, aluminates, gallates or manganates are suitable. Corresponding examples are SrTiO 3 , BaTiO 3 , LaAlO 3 , NdGaO 3 or La 0.67 Ba 0.33 MnO 3 . All these mate rialien can be added as a substituent in a manner known per se, so that the aforementioned materials are then to be regarded as base materials for the further elements. A corresponding example would be (Ba, Sr) TiO 3 . Furthermore, oxidic materials doped with rare earth metals can be deposited. This includes the aforementioned Y-doped ZrO 2 , the so-called YSZ, which is fully or partially stabilized with the Y. In addition, CeO 2 doped with Gd is also suitable. Furthermore come with Ce-doped substances such. B. Ce in CaO or in Y 2 O 3 in question (cf. "Gmelin Handbook", RE Main Vol. E1, 1992, chap. 1.3.3).
Statt einer einzigen Schicht 10 können selbstverständlich auch mehrere derartige Schichten vorgesehen werden. So läßt sich beispielsweise, insbesondere im Falle Ni-haltiger Sub strate, eine Doppelschicht YSZ/CeO2 aufbringen.Instead of a single layer 10 , several such layers can of course also be provided. For example, especially in the case of Ni-containing substrates, a double layer of YSZ / CeO 2 can be applied.
In Fig. 1 sind ferner von dem Target 7 rückgestreute Sputte rionen angedeutet und mit 11 bezeichnet. Diese Ionen bilden einen Strahl in Form einer Intensitätsverteilung ähnlich der des Strahls 5 oder 12. Der mittige Strahlbereich maximaler Intensität dieser rückgestreuten Ionen ist durch eine ge pfeilte Linie S2 veranschaulicht. Er weist ebenfalls in Rich tung auf das Substrat 9, fällt jedoch vorteilhaft nicht mit dem Strahl S1 der abgesputterten Teilchen 8a zusammen. Falls jedoch rückgestreute Ionen mit größerer Intensität auf den zu beschichtenden Teil des Substrats 9 auftreffen, können sie dort zu unerwünschten Inhomogenitäten in der Schicht 10 füh ren.In Fig. 1 backscattered from the target 7 sputtering ions are indicated and designated 11. These ions form a beam in the form of an intensity distribution similar to that of beam 5 or 12 . The central beam area of maximum intensity of these backscattered ions is illustrated by an arrowed line S2. It also points in the direction of the substrate 9 , but advantageously does not coincide with the beam S1 of the sputtered particles 8 a. However, if backscattered ions hit the part of the substrate 9 to be coated with greater intensity, they can lead to undesirable inhomogeneities in the layer 10 there.
Bei Beschichtungsverfahren unter Anwendung eines Ionensput terns besteht die Gefahr, daß der von einem Ionenstrahl be strahlte Körper wie z. B. das Target 7, auch wenn es aus einem oxidischen und damit nicht-leitenden Material besteht, auf ein höheres elektrisches Potential gelangt und damit das Ab sputtern des Targetmaterials beeinträchtigt wird. Aus diesem Grunde sieht man in an sich bekannter Weise im Innenraum der Beschichtungskammer 3 sogenannte Neutralisatoren vor, mit de nen niederenergetische Elektronen mit einer Energie zwischen etwa 10 und 100 eV erzeugt werden, welche eine zu hohe Aufla dung des Targets verhindern. In der Figur sind zwei derartige Neutralisatoren zur Erzeugung von Elektronen 14 mit 15a und 15b bezeichnet. In coating methods using an ion sputter terns there is a risk that the be irradiated by an ion beam body such. B. the target 7 , even if it consists of an oxidic and thus non-conductive material, reaches a higher electrical potential and thus the sputtering is impaired from the target material. For this reason, in a manner known per se, so-called neutralizers are provided in the interior of the coating chamber 3 , with which low-energy electrons are generated with an energy between approximately 10 and 100 eV, which prevent the target from being overcharged. In the figure, two such neutralizers for generating electrons 14 are designated 15a and 15b.
Aus den genannten Gründen kann zumindest eine Ionenquellen 4 und/oder 13 gegebenenfalls auch als eine an sich bekannte Plasmaquelle gestaltet sein. Derartige Plasmaquellen erzeugen nämlich nicht nur die geforderten Gasionen, sondern gleich zeitig auch Elektronen. In einem solchen Falle kann dann ge gebenenfalls auf die Neutralisatoren 15a und 15b verzichtet werden.For the reasons mentioned, at least one ion source 4 and / or 13 can optionally also be designed as a plasma source known per se. Such plasma sources not only generate the required gas ions, but also electrons at the same time. In such a case, the neutralizers 15 a and 15 b can then optionally be dispensed with.
In den nachfolgend erläuterten Fig. 2 bis 4 sind die in der Beschichtungskammer 3 ausgebildeten einzelnen Strahlen jeweils nur durch die ihren mittigen Strahlbereich maximaler Intensität veranschaulichende gepfeilte Linie angedeutet.In FIGS. 2 to 4 explained below, the individual beams formed in the coating chamber 3 are only indicated by the arrowed line illustrating their central beam area of maximum intensity.
Wie aus der schematischen Darstellung der Strahlverläufe in Fig. 2 hervorgeht, verlassen die am Target 7 rückgestreuten Ionen die Targetoberfläche nicht unter einem dem Einfallswin kel β1 entsprechenden Ausfallswinkel wie bei einer echten Re flexion. Vielmehr werden diese Ionen unter einem davon abwei chenden Winkel β3 emittiert, wobei die Linie S2 der maximalen Intensität des Strahls im allgemeinen zumindest in etwa in Normalenrichtung bezüglich des Targets weist. Die Linie S2 fällt also nicht mit der Linie S1 der maximalen Intensität des abgesputterten Teilchenstroms zusammen, da diese Linie mit der Targetoberfläche einen größeren (Austritts-)Winkel β2 einschließt. Diese Tatsache ermöglicht, daß gemäß der Erfin dung die rückgestreuten Sputterionen von einem Auftreffen auf das an einem Substrathalter 16 befestigte Substrat 9 zumin dest teilweise ausgeblendet werden. Unter einem Ausblenden ist dabei zu verstehen, daß zumindest von dem größten Teil der zu beschichtenden Fläche des Substrats die Mehrzahl der rückgestreuten Sputterionen ferngehalten wird. D. h., deren Intensitätsmaximum liegt außerhalb dieser Fläche, so daß höchstens Randbereiche der zu beschichtenden Substratoberflä che von rückgestreuten Ionen in nennenswerter Zahl getroffen werden. As can be seen from the schematic representation of the beam profiles in FIG. 2, the ions scattered back at the target 7 do not leave the target surface at an angle of incidence corresponding to the angle of incidence β1 as in a real reflection. Rather, these ions are emitted at an angle β3 deviating therefrom, the line S2 of the maximum intensity of the beam generally pointing at least approximately in the normal direction with respect to the target. Line S2 therefore does not coincide with line S1 of the maximum intensity of the sputtered particle stream, since this line includes a larger (exit) angle β2 with the target surface. This fact enables that, according to the inven tion, the backscattered sputtering ions are at least partially hidden from an impact on the substrate 9 fastened to a substrate holder 16 . Hiding is to be understood to mean that the majority of the backscattered sputter ions are kept away from at least the largest part of the surface of the substrate to be coated. In other words, their maximum intensity lies outside this area, so that at most marginal areas of the substrate surface to be coated are hit by backscattered ions in significant numbers.
Um ein solches Ausblenden zu erreichen, sieht ein erster Lö sungsweg vor, daß das Substrat 7 bezüglich des Sputtertargets so geometrisch angeordnet wird, daß zumindest der größere Teil der rückgestreuten Ionen höchstens auf einen Randbereich der zu beschichtenden Fläche auftreffen kann. In Fig. 3 ist eine entsprechende Möglichkeit angedeutet. Diese Möglichkeit besteht in einer besonderen gegenseitigen Positionierung von Sputterquelle 13, Sputtertarget 7 und Substrat 9. Gemäß Fig. 3 läßt sich dies z. B. durch eine gegenüber Fig. 2 andere Po sitionierung des Sputtertargets 7 erreichen. (Die durch ein entsprechendes Verschieben des Targets in die neue Position geänderten Teile haben dabei nunmehr die mit einem Strich versehenen Bezugszeichen erhalten). Die neue Position des Targets 7' führt dazu, daß der durch die Linie S2' veran schaulichte Strahl der rückgestreuten Sputterionen weiter weg von der zu beschichtenden Substratoberfläche abgelenkt wird, während der Strahl S1' der abgesputterten Teilchen nach wie vor auf die Substratfläche trifft.In order to achieve such a fade-out, a first solution provides for the substrate 7 to be arranged geometrically with respect to the sputtering target in such a way that at least the greater part of the backscattered ions can hit at most an edge region of the surface to be coated. A corresponding possibility is indicated in FIG. 3. This possibility consists in a special mutual positioning of sputter source 13 , sputter target 7 and substrate 9 . According to FIG. 3, allows for this. B. by a different position compared to FIG. 2 Po of the sputtering target 7 . (The parts changed by moving the target into the new position have now been given the reference numerals with a dash). The new position of the target 7 'leads to the fact that the beam of the backscattered sputter ions, illustrated by the line S2', is deflected further away from the substrate surface to be coated, while the beam S1 'of the sputtered particles still hits the substrate surface.
Ein zweiter Lösungsweg sieht vor, daß man in Nähe des Sub strates im Bereich des Intensitätsmaximums der rückgestreuten Sputterionen mindestens eine Blende anordnet. Eine derartige Blende ist zusätzlich in Fig. 2 durch eine gestrichelte Li nie angedeutet und mit 17 bezeichnet. Eine solche Blende kann jedoch dazu führen, daß von ihr auch ein Teil des erwünschten Teilchenstrahls S1 des abgesputterten Targetmaterials gegen über der zu beschichtenden Substratfläche abgeschirmt wird. Vorteilhaft wird nicht nur in diesem Falle eine Substratbewe gung derart vorgesehen, daß auch der zunächst ausgeblendete Bereich beschichtet werden kann. In Fig. 2 ist diese Sub stratbewegung durch einen mit b bezeichneten Doppelpfeil an gedeutet.A second solution provides that one arranges at least one aperture in the vicinity of the substrate in the area of the maximum intensity of the backscattered sputter ions. Such an aperture is also never indicated in Fig. 2 by a dashed line Li and designated 17. However, such an aperture can also result in part of the desired particle beam S1 of the sputtered target material being shielded from it from the substrate surface to be coated. Not only in this case, a substrate movement is advantageously provided in such a way that the region that was initially hidden can also be coated. In Fig. 2, this sub strat motion is indicated by a double arrow denoted by b.
Gemäß eines weiteren (dritten) Lösungswegs besteht die Mög lichkeit, daß ein Sputtertarget mit einer solchen Oberflä chenstruktur vorgesehen wird, daß die rückgestreuten Sputte rionen wie im Falle der Fig. 2 oder 3 höchstens auf Randbe reiche der zu beschichtenden Substratfläche treffen und ins besondere diese Fläche nicht erfassen. Dies kann insbesondere durch eine Sägezahnstruktur des in Fig. 4 angedeuteten Tar gets 7" erreicht werden. Die relative Neigung der Zahnflan ken führt dann zu der angestrebten Richtung des Strahls S2 bzw. S2'.According to a further (third) solution, there is the possibility that a sputtering target with such a surface surface structure is provided that the backscattered sputtering ions, as in the case of FIGS . 2 or 3, meet at most edge regions of the substrate surface to be coated and in particular these Do not capture area. This can be achieved in particular by means of a sawtooth structure of the target 7 ″ indicated in FIG. 4. The relative inclination of the tooth flanks then leads to the desired direction of the beam S2 or S2 ′.
Vorteilhaft kann man die vorerwähnten und in den Figuren an
gedeuteten erfindungsgemäßen Maßnahmen noch mit weiteren Maß
nahmen kombinieren, die eine Homogenisierung und/oder Ab
schwächung der Intensität des nicht ausgeblendeten Restes der
Strahlung an rückgestreuten Ionen auf die zu beschichtende
Targetfläche zum Ziel haben:
Advantageously, one can combine the above-mentioned measures according to the invention, which are indicated in the figures, with further measures which aim at homogenizing and / or weakening the intensity of the non-masked-out rest of the radiation from backscattered ions on the target surface to be coated:
- a) Das Substrat wird während des Beschichtungsvorganges be wegt, so daß sich der Einfluß der rückgestreuten Sputte rionen über das ganze Substrat verteilt. Damit läßt sich die Intensität lokal unter ein schädliches Niveau drücken.a) The substrate is be during the coating process moves so that the influence of the backscattered sputts ions spread over the entire substrate. So that can push the intensity locally below a harmful level.
- b) Als Sputterionen können auch andere als die normalerweise verwendeten Ar-Ionen verwendet werden. Solche anderen Io nen wie z. B. Xe-Ionen weisen eine höhere Sputterausbeute ("sputter yield") auf. Zur Erzeugung der gleichen Deposi tionsrate ist dann eine entsprechend geringere Anzahl von Sputterionen notwendig. Dies führt dazu, daß auch die An zahl der rückgestreuten Sputterionen entsprechend redu ziert wird. Außerdem weisen solche Xe-Ionen auch eine an dere Rückstreucharakteristik ihrer rückgestreuten Ionen auf. So kann z. B. durch Verwendung derartiger Ionen der Winkel zwischen den Linien S1' und S2' gemäß Fig. 3 ver größert werden.b) Ar ions other than those normally used can also be used as sputter ions. Such other ions such. B. Xe ions have a higher sputter yield. A correspondingly smaller number of sputter ions is then necessary to generate the same deposition rate. This means that the number of backscattered sputter ions is reduced accordingly. In addition, such Xe ions also have a different backscattering characteristic of their backscattered ions. So z. B. by using such ions, the angle between the lines S1 'and S2' according to FIG. 3 can be enlarged ver.
- c) Auch die Energie der Sputterionen hat einen Einfluß auf die Menge und die Energie der rückgestreuten Ionen. Aus diesem Grunde sind Energien der Sputterionen mit Werten zwischen 500 und 1500 eV vorteilhaft.c) The energy of the sputter ions also has an influence the amount and energy of the backscattered ions. Out therefore energies of sputterions are with values between 500 and 1500 eV advantageous.
- d) Darüber hinaus kann man auch durch eine gegenüber üblichen Werten erhöhte Anzahl von zusätzlichen Elektronen im Be schichtungsvolumen eine weitere Verringerung der Schädi gung durch rückgestreute Sputterionen herbeiführen. Bei einer derartigen "Überneutralisierung" wird z. B. das übli che Verhältnis von etwa 125 Elektronen zu 100 Sputterionen auf über 200, vorteilhaft über 400 Elektronen pro 100 Io nen erhöht.d) In addition, you can also by a conventional Values increased number of additional electrons in the Be stratification volume a further reduction in pest cause by backscattered sputtering ions. At such an "over-neutralization" z. B. the übli ratio of approximately 125 electrons to 100 sputter ions to over 200, advantageously over 400 electrons per 100 Io nen increased.
- e) Statt der Verwendung eines Targets aus dem für die abzu scheidende Schicht vorzusehenden oxidischen Material kann man auch ein Target vorsehen, das lediglich die metalli sche Komponente dieses Materials enthält. Das oxidische Material wird dann mit einer Sauerstoffatmosphäre inner halb der Beschichtungskammer gebildet. Metallische Target materialien führen nämlich prinzipiell zu höheren Sputter raten. Dies ermöglicht, daß der Sputterstrom reduzierbar ist und somit die Intensität der unerwünschten rückge streuten Ionen entsprechend verringert wird.e) Instead of using a target from the for the separating layer to be provided oxidic material one should also provide a target that only contains the metal contains the component of this material. The oxidic Material is then internalized with an oxygen atmosphere formed half of the coating chamber. Metallic target In principle, materials lead to higher sputtering guess. This enables the sputtering current to be reduced is and thus the intensity of the unwanted Rückge scattered ions is reduced accordingly.
Selbstverständlich können nicht nur einzelne der vorstehend aufgeführten Maßnahmen a) bis e) mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen der drei erläuterten Lösungswege kombiniert werden. Vielmehr können auch gleichzeitig mehrere der Maßnahmen a) bis e) zur Anwendung kommen.Of course, not just some of the above Measures listed a) to e) with the inventive Measures of the three solutions described are combined. Rather, several of the measures a) to e) apply.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich generell oxi dische Schichten auf an sich beliebigen Substraten mit hoher kristalliner Ordnung erzeugen. Solche Schichten können der Hauptzweck eines entsprechenden Aufbaus sein. Beispiele hier für sind ferroelektrische Schichten wie z. B. aus SrTiO3 oder BaTiO3, ferromagnetische Schichten wie z. B. aus FeO oder Fe2O3, piezoelektrische Schichten wie z. B. aus BaTiO3 oder ma gnetoresistive Schichten wie z. B. spezielle Mn-Oxide (vgl. z. B. DE 43 10 318 C2). Darüber hinaus kann besonders vorteil haft das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung von oxidi schen Zwischenschichten eingesetzt werden, auf denen Deck schichten aus den bekannten oxidischen Hoch-Tc- Supraleitermaterialien mit hoher kristalliner Ordnung auf wachsen können. Solche Zwischenschichten bestehen beispiels weise aus YSZ. With the method according to the invention, it is generally possible to produce oxide layers on any desired substrates with a high crystalline order. Such layers can be the main purpose of a corresponding structure. Examples here are ferroelectric layers such. B. from SrTiO 3 or BaTiO 3 , ferromagnetic layers such. B. from FeO or Fe 2 O 3 , piezoelectric layers such. B. BaTiO 3 or ma gnetoresistive layers such. B. special Mn oxides (see, for example, DE 43 10 318 C2). In addition, the process according to the invention can be used particularly advantageously for forming oxidic intermediate layers on which cover layers made of the known oxidic high-T c superconductor materials with high crystalline order can grow. Such intermediate layers consist, for example, of YSZ.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist nachfolgend skiz ziert:A corresponding embodiment is sketched below adorns:
Ein Sputterstrahl von 300 mA Argon-Ionen mit einer Energie von 1500 eV trifft unter einem Winkel von 55° auf ein 20 × 20 cm großes Target aus YSZ. Gegenüberliegend ist ein 10 × 10 cm großes Substrat, wie in Fig. 3 dargestellt, ange ordnet. Hierbei wurde zur Verbesserung der Schichtqualität das Target in Richtung der Sputterquelle von einem mittleren Abstand von ca. 19,5 cm auf einen mittleren Abstand von ca. 17 cm verschoben, d. h. es wurde die dargestellte Positionie rungsmöglichkeit angewendet. Die Winkel β1, β2 und β3 (ent sprechend Fig. 2) betrugen dabei 55° bzw. 115° bzw. 90° (je weils ungefähre Werte). Ein unterstützender Strahl von 30 mA Argon-Ionen mit 300 eV Energie trifft unter einem Winkel α von 35° auf das Substrat und erzwingt dort das biaxial textu rierte Wachstum. Diese geometrische Anordnung ist dazu geeig net, auf dem ganzen Substrat eine hochwertige YSZ-Schicht re lativ homogener Qualität zu erzeugen. Auf einer solchen Schicht läßt sich ein HTS-Material wie YBCO mit guter Textur abscheiden.A sputtering beam of 300 mA argon ions with an energy of 1500 eV strikes a 20 × 20 cm target made of YSZ at an angle of 55 °. Opposite is a 10 × 10 cm substrate, as shown in Fig. 3, is arranged. In order to improve the layer quality, the target was shifted in the direction of the sputter source from a mean distance of approx. 19.5 cm to a mean distance of approx. 17 cm, ie the positioning option shown was used. The angles β1, β2 and β3 (corresponding to FIG. 2) were 55 °, 115 ° and 90 ° (each approximate values). A supporting beam of 30 mA argon ions with 300 eV energy strikes the substrate at an angle α of 35 ° and forces biaxially textured growth there. This geometric arrangement is suitable for producing a high-quality YSZ layer of relatively homogeneous quality on the entire substrate. An HTS material such as YBCO with a good texture can be deposited on such a layer.
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