Untersuchungen zum reaktiven Pulsmagnetronsputtern von ITO von metallischen
Targets
Wolf-Michael Gnehr
The thesis deals with a reactive sputter process for the deposition of ITO-
films. In contrast to the usual technique, the sputter targets consists of
indium-tin-alloy instead of ceramic ITO. All experiments were conducted on an
inline coater with 600 mm targetwidth. The process is stabilized by a control
loop based on optical emission detection. The experiments prove, that this
control loop guarantees a long term stability of the outcomes of the coating
process.Process parameters, that are crucial for the optical and electrical
properties of the deposited thin films are identified and studied. Among them
are the flow of oxygen and the substrate temperature but also less obvious
parameters such as the distance between target and substrate.Througout the work
the focus is on the film deposition with pulsed plasmas. Novel bipolar DC pulse-
and pulse package generators are employed for the deposition.In order to shed
some light onto the influence of certain pulse parameters on the outcome of a
particular coating process, a Monte-Carlo-Simulation of the particle flow in
pulsed plasmas is developed. This simulation yields the distribution of
particles and their respective energies on deliberately placed planes in the
process chamber. Particles under investigation are both sputtered species and
neutral sputter gas atoms reflected at the target. The results of this
simulation provide an explanation for the influence of certain pulse parameters
on the outcome of the coating process. The further investigations deal with the
influence of the construction of the process chamber on the coating process. For
this purpose, locally resolved optical spectra are recorded. In order to analyse
these spectra, a novel connected fit algorithm is developed.This algorithm
yields the distribution of certain fitparameters on the substrate. Provided the
most complex of the discussed parametrizations of the dielectric function are
used, these can be crucial properties such as the carrier density or the density
of ionised defects. The kernel of this method is an algorithm, that minimizes
the difference between simulated and locally measured spectra while considering
the film properties in neighboring areas.This technique is then used to compare
different designs of sputter chambers and to identify their respective deficits.
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Vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit einem reaktiven Sputterprozess zur Abscheidung von ITO-Schichten. Ausgangspunkt der Technologie sind nicht die gemeinhin eingesetzten keramischen Targets, sondern 600 mm lange Legierungstargets. Zur Prozessstabilisierung wird ein auf Plasmaemission basierender Regelkreis eingesetzt. Die Untersuchen belegen, dass mit dieser Regelung tatsächlich über längere Zeiträume eine stabile Prozessführung zu erreichen ist. Die für die optischen und elektrischen Eigenschaften der deponierten ITO-Filme relevanten Prozessparameter werden untersucht. Es sind dies neben dem über den Arbeitspunkt des Regelkreises eingestellten Sauerstofffluss auch Substrattemperatur sowie weniger offensichtliche Größen wie
der Substrat-Target-Abstand. Dabei wird insbesondere auf die Abscheidung mit gepulsten Plasmen eingegangen. Zur Plasmageneration werden neuartige bipolare Puls- und Pulspaketgeneratoren verwendet. Um die Auswirkungen der
Pulspaketparameter auf die abgeschiedenen Schichten zu interpretieren, wird eine Monte-Carlo-Simulation des Partikelstromes in gepulsten Plasmen entwickelt.
Ergebnis dieser Simulation ist die Verteilung der Partikelanzahl und Energie auf beliebigen Ebenen im Prozessraum. Betrachtet werden sowohl abgesputterte Partikel als auch am Target reflektierte Sputtergasatome. Die Resultate der Berechnungen erlauben die Interpretation der Auswirkungen diverser Pulsparameter
auf die Eigenschaften der deponierten Schichten. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wird der Einfluss der
Prozesskammergeometrie auf die Filmeigenschaften betrachtet. Zu diesem Zweck werden ortsaufgelöst optische Untersuchungen des beschichteten Substrates vorgenommen. Zur Auswertertung
dieser Messungen wird ein neuartiges verbundenes Fitverfahren entwickelt, dessen Resultat die Verteilung bestimmter Fitparameter über dem Substrat darstellt. Bei den komplexesten der verwendeten Ansätze für die dielektrische Funktion sind dies zum Beispiel die Dichte der Ladungsträger sowie der ionisierten
Störstellen. Den Kern des vorgestellten Verfahrens bildet ein Algorithmus, der die Übereinstimmung zwischen simulierten und an einer bestimmten Stelle des Substrates gemessenen Spektren optimiert und dabei die Resultate benachbarter
Messpositionen berücksichtigt. Dieses Verfahren wird dann eingesetzt, um unterschiedliche Prozesskammerbauarten hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die darin abgeschiedenen ITO-Schichten zu untersuchen.