Process property relations in reactively sputtered transition metal compounds

Sarakinos, Konstantinos; Wuttig, Matthias

doi:28521

Process property relations in reactively sputtered transition metal compounds = Prozess-Eigenschaft Relationen in reaktiv gesputterten Übergansmetalllegierungen

Sarakinos, Konstantinos (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Konstantinos Sarakinos

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangVIII, 192 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-11-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-21960
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/49962/files/Sarakinos_Konstantinos.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sputtern (Genormte SW) ; Dünne Schicht (Genormte SW) ; Übergangsmetalllegierung (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Magentron sputtering (frei) ; transition metal compounds (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

In the current thesis the relations between the process parameters and the properties of transition metal compound thin films grown by reactive magnetron sputtering techniques are investigated. In the first part, the effect of energetic species, which are generated by backscattering of plasma ions at the target, on the growth and the properties of transition metal nitride films deposition by direct current magnetron sputtering (dcMS) is manifested. Using film and plasma characterization techniques, as well as simulations, it is shown that the energetic bombardment by atomic N species, which are formed by neutralization and backscattering of N2+ ions, leads to growth of CrNx films with high values of compressive stresses and density close to that of the bulk material. Thereupon, the effect of the bombardment by backscattered species on the stress formation and the surface roughness of reactively sputtered VNx films is investigated. Combining results of simulations and experimental findings, it is found that VNx films grown in a N2 rich discharge (N2 flows higher than 20 sccm) exhibit smooth surfaces and high level of compressive stress, as a result of the energetic bombardment by backscattered N species. At N2 flows lower than 20 sccm the impact of backscattered N species is less significant resulting in films with rough surfaces and low compressive stresses. In the second part of the thesis, the issue of the film deposition rate in a newly developed sputtering technique, the high power pulsed magnetron sputtering (HPPMS), is addressed. First, the effect of high of the pulse current and the duty cycle on the deposition rate in HPPMS is investigated. Using a Cr target and the same average target current, deposition rates are compared to dcMS rates. It is found that for a peak target current density, ITpd, of up to 570 mA×cm-2, HPPMS and dcMS deposition rates are equal. For ITpd > 570 mA×cm-2, optical emission spectroscopy shows a pronounced increase of the Cr+/Cr0 signal ratio. In addition, a loss of deposition rate, which is attributed to the self-sputtering, is observed. Based on the latter analysis a theoretical treatment of the deposition process in a non-reactive HPPMS discharge is presented. This leads to the development of a model that describes the deposition rate as a function of process parameters, such as the target voltage, the pulse frequency and the pulse duty cycle. The effect of these parameters on the deposition rate is studied experimentally using carbon, chromium and copper targets. The implementation of the model on the experimental results enables the calculation of the relative fractions of the sputtering gas ions (Ar+) and the sputtered metal ions (M+) in the total ion flux at the target. The M+ content in the target ion current is calculated to adopt values up to ~72% and ~98% for the chromium and the copper targets, respectively. In contrast, the target ion current is found to consist mostly of Ar+ species in the case of the carbon target. The significantly higher fractions of M+ ions for Cr and Cu are attributed to their higher ionization probability and their higher sputtering yield in comparison to C. Finally, the process stability and the deposition rate in reactive HPPMS are studied. It is shown that reactive HPPMS of zirconium oxide exhibits a stable and hysteresis-free transition zone, as opposed to reactive dcMS. The stabilization of the transition zone in HPPMS facilitates the growth of transparent zirconium oxide films at lower target coverage, in comparison to dcMS. The lower target coverage, in turn, allows for film deposition rates up to 2 times higher than those achieved by dcMS. The stabilization of the transition zone is attributed to the higher compound sputtering rate in HPPMS. In the third part, the properties of transition metal compound films grown by HPPMS are studied. As a first case study, TiOx films are deposited from a ceramic TiO1.8 target employing reactive HPPMS and dcMS, for reference. The effect of the peak target current (ITp) on the target and the discharge characteristics, as well as on the film properties is investigated. The increase of ITp is accompanied by an increase of the number of Ti atoms sputtered from the target and an increase in the ionization of the sputtered material. These changes affect the deposition so that the latter is in all cases up to ~40% higher than that achieved by dcMS. The increase of ITp from 2 A to 40 A also results in a drop of the surface roughness, an increase of the film density and an increase of the refractive index. As a second case study, CrN films are deposited reactively by HPPMS and dcMS. Plasma analysis reveals that during HPPMS the ion current towards the growing films is 2 - 3 orders of magnitude higher than that in dcMS. The increased ionization in HPPMS allows for deposition of smooth and dense nanocrystalline CrN films.

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