Untersuchung des reaktiven Sputterprozesses zur Herstellung von ...

18 2. Physikalische und technologische Grundlagen
rende Target. In der nächsten Halbwelle gelingt es den schweren Ionen nicht, die Aufladung zu
neutralisieren, da sie nur geringe Entfernungen (≪ 1 mm) im Wechselfeld zurücklegen. Die Targetoberfläche
weist also immer ein negatives Potential auf. Dadurch kommt es zum sogenannten
“self biasing” der Kathode. Dies führt während beider Halbwellen zu einem Ionenstrom auf das
Target, so dass Targetmaterial zerstäubt wird und sich auf dem Substrat eine Schicht bilden kann.
Die Sputterrate von oxidischen Targets ist aus verschiedenen Gründen deutlich niedriger
als von metallischen Targets. Von oxidischen Targets muss eine stärkere Sekundärelektronen-
Emissionsrate beim Auftreffen von hochenergetischen Teilchen berücksichtigt werden. Daher
wird ein großer Teil des Entladungsstromes durch Elektronen getragen, die keine Sputterwirkung
auf dem Target hervorrufen. Außerdem ist in der RF-Entladung die Beschleunigungsspannung
oft deutlich geringer als beim DC-Prozess, so dass die Sputterausbeute, also die Anzahl
gesputterter Atome pro auftreffendes Ion, weiter reduziert ist. Beide Effekte führen zu einer Verringerung
der Sputterrate auf ca. ein Fünftel der Rate eines DC-Sputterprozesses von leitfähigen
Targets bei gleicher Entladungsleistung.
Zur industriellen Herstellung von oxidischen Schichten wird aufgrund der höheren Sputterrate
eine DC-Anregung bevorzugt. Dazu müssen die Targets hohen Anforderungen an die
Leitfähigkeit genügen. Eine ausreichende Leitfähigkeit besitzen z.B. alle Metalle. Aber auch
einige Keramiken, wie Zinkoxid, lassen sich mit speziellen Verfahren zu hoch verdichteten, ausreichend
leitfähigen Targets verarbeiten, wohingegen z.B. Siliziumoxid- oder Aluminiumoxid-
Targets völlig isolierend sind. Um die hohe Sputterrate des DC-Sputterns dennoch mit der Herstellung
oxidischer Schichten kompatibel zu machen, werden Verbundmaterialien oft von metallischen
Targets in einem reaktiven Prozess gesputtert, bei dem eine oder mehrere Komponenten
durch Reaktivgase zugeführt werden.
2.3.3 Reaktives Sputtern von Zinkoxid
Bei reaktiven Sputterprozessen besteht das Target nur aus Teilkomponenten des späteren Schichtmaterials
und mindestens eine der späteren Schichtkomponenten stammt aus der Gasphase.
Durch die Beimengung reaktiver Gase wie z.B. Kohlenmonoxid, Stickstoff oder Sauerstoff kann
eine Vielzahl komplexer Verbindungen wie Karbide, Nitride und Oxide hergestellt werden. Ein
Beispiel hierfür ist das reaktive Sputtern einer Zinkoxidschicht von einem metallischen Zink-
Target. Reaktive Sputterprozesse können prinzipiell mit einer DC-Entladung durchgeführt werden,
da die metallischen Targets eine hohe Leitfähigkeit besitzen. Mit der Zugabe von O2 zum
Sputtergas Argon bildet sich Zinkoxid, wobei die Reaktion der Targetatome mit dem Sauerstoff
abhängig von den Depositionsbedingungen, an der Targetoberfläche, im Gasraum oder auf dem
Substrat erfolgen. Die Schichtstöchiometrie kann über eine Steuerung des Sauerstoffflusses ein-