In-Situ-Messungen der mechanischen Spannungen in gesputterten Metall- und Oxidschichten

Drese, Robert Jens; Wuttig, Matthias

doi:26863

In-Situ-Messungen der mechanischen Spannungen in gesputterten Metall- und Oxidschichten = In-situ measurements of mechanical stresses in sputtered metal and oxide films

Drese, Robert Jens (Author)

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Robert Jens Drese

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangVI, 153 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-10-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-12740
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62691/files/Drese_Robert.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; in-situ (frei) ; mechanische Spannungen (frei) ; dünne Schichten (frei) ; Sputter Deposition (frei) ; Wafer-Curvature (frei) ; stress (frei) ; thin films (frei) ; sputter deposition (frei) ; wafer curvature (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Arbeit befasst sich mit der Entstehung und dem Verlauf von mechanischen Spannungen während der Deposition in dünnen, gesputterten Metall- und Oxidschichten. Es wurde dazu eine Sputteranlage mit integriertem in-situ Spannungsmessplatz konstruiert, wodurch Messungen der mechanischen Spannungen während des Aufwachsen möglich sind. Die vier Materialien Zink, Zirkon, Niob und Titan wurden zunächst als Metallschichten aufgebracht und untersucht. Dann wurde Sauerstoff unter das Sputtergas gemischt, um die zugehörigen Oxide herzustellen. Bei verschiedenen Sauerstoffflüssen wurden so eine Vielzahl von Filmen unterschiedlicher Stöchiometrie produziert, deren Spannungsentwicklung während des Wachstums untersucht wurde. Bei den Messergebnissen zeigen sich grundsätzliche Unterschiede zwischen hoch- und niedrigschmelzenden Metallen. Während Zink als hochmobiles Metall sich unter allen untersuchten Depositionsbedingungen wie ein aufgedampftes Metall hoher Mobilität verhält, und alle Defekte aufgrund des Ionenbeschusses während des Sputterns einfach ausheilen kann, sieht man in immobilen Metallen starke Effekte der Korngrenzen, die Zugspannungen erzeugen und andererseits die Folgen des Beschusses mit reflektiertem Argon, welcher Druckspannungen in der Schicht hervorruft. Die Spannungsuntersuchungen bei der Änderung der Stöchiometrie der Schichten ergaben, dass der Übergang der mechanischen Spannungen in den metallischen Schichten zu den Spannungen in oxidischen Filmen nicht durch einen einzigen Effekt erklärt werden kann. Zum einen oxidiert das Target, wodurch sich eine Änderung des Teilchenbeschusses der Schicht ergibt und zum anderen wird das Wachstum der Schicht auf dem Substrat direkt beeinflusst. So sorgt eine geringe Sauerstoffzugabe für ein nanokristallines Aufwachsen des Films, indem die Korngrenzen der wachsenden metallischen Schicht immobilisiert werden. Dadurch werden starke Zugspannungen in der Schicht erzeugt, auch wenn die rein metallische Schicht zuvor bei gleichem Depositionsdruck Druckspannungen aufgewiesen hat. Der Sauerstoff beeinflusst auch das Sputtertarget, das mit zunehmendem Sauerstofffluss immer weiter oxidiert, bis es im oxidischen Modus komplett mit einer Oxidschicht bedeckt ist. In dieser wachsenden Oxidschicht entsteht eine steigende Anzahl von Sauerstoffionen, die in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden und in der Schicht starke Druckspannungen erzeugen. Es wurden auch im Anfangsbereich des Schichtwachstums Unterschiede bei den verschiedenen untersuchten Oxiden gefunden. So weisen die amorphen Oxide Nioboxid und Titanoxid im Anfangsbereich des Schichtwachstums starke Zugspannungen auf, während bei den kristallinen Zinkoxid- und Zirkonoxidschichten hingegen keinerlei Zugspannungen beobachtet wurden. Hier dominieren die Druckspannungen bereits im Anfangsbereich des Wachstums. Dieses Verhalten konnte auf die Struktur und die damit verbundene unterschiedliche Anzahl von Korngrenzen in den Materialien zurückgeführt werden.

This thesis covers the stress evolution in thin sputtered metal and oxide films. To achieve this, a deposition system for reactive direct-current sputtering with integrated in-situ wafer curvature setup has been developed and is presented here. At first, metal films (zinc, zirconium, niobium and titanium) have been deposited and analyzed during growth. By mixing oxygen into the sputter gas, the corresponding oxide films have been obtained. The stress evolution during the growth of the metals depends strongly on the mobility of the deposited material and therefor on its melting point. Zinc with a low melting point exhibits the same stress development which has been observed during growth of evaporated films of high mobility. Due to its high mobility, all defects, which occur due the bombardment by reflected argon during sputtering can anneal. In the case of the low mobility metals, effects of the grain boundaries leading to tensile stress and of the bombardment leading to compressive stress have been observed. The analysis of the stress changes upon change of stoichiometry from metallic to oxidic films reveal that these changes cannot be explained by a single effect only. On the one hand, the target oxidizes, which changes the bombardment of the growing film and on the other hand, the growth of the film is affected directly. Adding small amounts of oxygen into the sputter gas leads to nano-crystalline films by immobilizing the grain boundaries of the growing metallic film. This causes high tensile stresses even if the same metallic film grown at the same deposition conditions just without addition of oxygen contained compressive stresses. The oxygen also influences the sputter target, which oxidizes increasingly upon increasing oxygen flow, until the whole target is covered with an oxide layer. In this growing oxide layer, an increasing number of oxygen ions is created, which is accelerated towards the substrate and causes high compressive stresses. Changes between the different oxides have also been found in the beginning of growth. The amorphous oxides niobium oxide and titanium oxide exhibit tensile stresses in the beginning of growth, while the crystalline oxides zinc oxide and zirconium oxide no tensile stresses can be found. Here, the compressive stresses dominate already in the beginning of the growth process. This behavior has been related to the structure and therefor to the different amount of grain boundaries in the material.

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