Process property relations in reactively sputtered transition metal compounds

  • Prozess-Eigenschaft Relationen in reaktiv gesputterten Übergansmetalllegierungen

Sarakinos, Konstantinos; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

In dieser Dissertation werden die Relationen zwischen den Prozessparametern und den Eigenschaften von dünnen Übergangsmetalllegierungen Schichten, die mittels reaktivem Magnetron-Sputtern hergestellt werden, erforscht. Im ersten Teil wird der Effekt der energetischen Spezies, die durch Rückwärtsstreuung der Plasmaionen am Target erzeugt werden, auf das Wachstum und die Eigenschaften von Übergangsmetallnitriden Schichten, die mit Hilfe von reaktivem Gleichstrom-Magnetron-Sputtern (engl. dcMS) deponiert werden, herausgestellt. Film- und Plasmacharakterisierungsmethoden sowie Simulationen zeigen, dass der energetische Beschuss mit atomaren Stickstoff Spezies, die durch Neutralisation und Rückwärtsstreuung der N2+ Ionen entstehen, zum Wachstum von CrNx Filmen mit hohen Druckspannungs- und Dichtewerten führt. Im Folgenden wird der Effekt des Beschusses durch rückwärtsgestreute Teilchen auf den Stressaufbau und die Oberflächenrauigkeit von VNx Schichten untersucht. Die Kombination von Simulationen und experimentellen Ergebnissen zeigt, dass die VNx Filme, die in einer N2 reichen Gasentladung deponiert werden (N2 Fluss höher als 20 sccm), glatte Oberflächen und hohe Druckspannungen aufweisen. Zurückzuführen ist dies auf das Bombardement mit rückwärtsgestreuten N Teilchen. Bei einem N2 Fluss niedriger als 20 sccm ist der Einfluss der rückwärtsgestreuten N Spezies weniger ausgeprägt, sodass Filme mit raueren Oberflächen und niedrigeren Druckspannungen wachsen. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit der Depositionsrate beim Hochleistungs-Gepulsten-Sputtern (engl. HPPMS), einem neuartigen Sputterverfahren. Zunächst wird der Einfluss des Spitzentargetstroms und des Arbeitszyklus auf die Depositionsrate beim HPPMS erforscht. Es werden Schichten mittels eines Cr Targets auf beide Arten beim konstanten mittleren Targetstrom deponiert und die Depositionsraten von HPPMS und dcMS anschließend verglichen. Dabei zeigt sich, dass für Spitzentargetstromdichten, ITpd, von bis zu 570 mAcm-2, die HPPMS- und dcMS-raten identisch sind. Mittels optischer Emissionsspektroskopie wird für ITpd Werte größer als 570 mAcm-2 eine ausgeprägte Zunahme des Cr+/Cr0 Signalverhältnisses festgestellt. Zusätzlich kann eine Reduktion der Depositionsrate, aufgrund des Self-Sputter-Effekts, beobachtet werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird eine theoretische Behandlung des Depositionprozesses in einer nicht-reaktiven HPPMS Gasentladung ausgearbeitet, was zur Entwicklung eines Modells, zur Beschreibung der Depositionsrate als Funktion von Prozessparametern, wie der Targetspannung, der Pulsfrequenz und des Arbeitszyklus, führt. Der Effekt dieser Parameter auf die Depositionsrate wird experimentell für Carbon, Chrom und Kupfer Targets untersucht. Die Anwendung des Modells auf die experimentellen Resultate ermöglicht die Berechnung der relativen Ionenströme der Gasionen (Ar+) und der gesputterten Metallionen (M+) im Gesamtionenfluss am Target. Der M+ Anteil im Targetionenstrom wird, zu maximal ~72% für das Chrom und ~98% für das Kupfer Target, berechnet. Der Targetionenstrom am Carbon Target besteht hingegen hauptsächlich aus Ar+ Spezies. Die erheblich höheren Anteile der M+ Ionen im Gesamtionenfluss für Cr und Cu werden auf die hier höheren Ionisationswahrscheinlichkeiten und die höhere Sputterausbeute im Vergleich zu C zurückgeführt. Schließlich werden die Prozessstabilität und die Depositionsrate beim reaktiven HPPMS untersucht. Es zeigt sich, dass reaktives HPPMS von Zirkonoxid, im Gegensatz zu reaktivem dcMS, eine stabile und hysteresefreie Übergangszone aufweist. Die Stabilisierung der Übergangszone in HPPMS ermöglicht das Wachstum von transparenten Schichten bei einer niedrigeren Targetbedeckung, als beim herkömmlichen dcMS. Die niedrigere Targetbedeckung ermöglicht bis zu doppelt so hohe Depositionsraten im Vergleich zu dcMS. Die Stabilisierung der Übergangszone wird auf die höhere Targeterosionsrate im HPPMS zurückgeführt. Im dritten Teil werden die Eigenschaften von Übergangsmetalllegierungen Schichten, die mit HPPMS deponiert werden, untersucht. Zunächst werden TiOx Schichten von einem keramischen TiO1.8 Target mittels reaktiven HPPMS, sowie mittels dcMS zum Vergleich, gesputtert. Der Einfluss des Spitzentargestromes (ITp) auf das Target, die Gasentladung und die Filmeigenschaften wird beobachtet. Bei einer Zunahme von ITp kommt es sowohl zu einer Zunahme der Anzahl der gesputterten Ti Atomen, als auch zu einer erhöhten Ionisierung des gesputterten Materials. Diese Änderungen beeinflussen die Depositionsrate, so dass diese bis zu ~40% größer als die dcMs-Depositionsrate ausfallen kann. Die Zunahme des ITp führt weiter zu einer Abnahme der Oberflächenrauigkeit, einer Vergrößerung der Filmdichte und eine Zunahme des Brechungsindizes. Abschließend werden CrN Filme mittels HPPMS deponiert, wobei die erhöhte Ionisierung im Falle von HPPMS zu einem Wachstum von glatten und dichten nanokristallinen CrN Schichten führt.

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