Influence of the plasma chemistry and energetics on the composition and structure evolution of sputtered oxide thin films

Mráz, Stanislav; Schneider, Jochen

doi:1861-0595

Influence of the plasma chemistry and energetics on the composition and structure evolution of sputtered oxide thin films = Auswirkung der Plasmachemie und -energetik auf die Zusammensetzung und Kristallstruktur von gesputterten Dünnschichtoxiden

Mráz, Stanislav (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stanislav Mráz

ImpressumAachen : Shaker 2006

UmfangXIV, 80 S.: graph. Darst.

ISBN3-8322-5522-2, 978-3-8322-5522-0

ReiheMaterials chemistry dissertation ; 2006,07

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-08-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-16632
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61523/files/Mraz_Stanislav.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
composition (frei) ; mangetron sputtering (frei) ; plasma chemistry (frei) ; plasma energetics (frei) ; structure (frei) ; thin film oxides (frei) ; Dünne Schicht (frei) ; Kristallstruktur (frei) ; Magnetronsputtern (frei) ; Oxide (frei) ; PVD-Verfahren (frei) ; Plasmachemie (frei) ; Plasmaenergetik (frei) ; Zusammensetzung (frei) ; Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Auswirkung der Plasmachemie und -energetik auf die Zusammensetzung und Kristallstruktur von Dünnschichten der Übergangsmetalloxide, abgeschieden mittels Magnetronsputtern, als Funktion des Sauerstoffpartialdruckes untersucht. Die Zusammensetzung der auf geerdetem, nicht vorsätzlich geheiztem Substrat abgeschiedenen Schichten wurde mit den vorherrschenden positiven und negativen Ionen im Plasma korreliert. Die sauerstoffarmen Schichten wurden in Ar(+)-dominiertem Plasma, die nahezustöchiometrischen Schichten im O(+)/O(-)-Modus abgeschieden. Die Bildung von nahezustöchiometrischem ZrO2.1 geschah im „Compoundmode“, während nahezustöchiometrisches Nb2O4.7 sowohl im „Compoundmode“ als auch im „Transitionmode“ abgeschieden wurde. Diese Beobachtung kann mit der 1,5-1,9-fach höheren Leistung im Nb-Ar-O2-Plasma im Vergleich zum Zr-Ar-O2-Plasma erklärt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Dissoziation von O2 duch die höhere Leistung effizienter ablaufen und zu ausreichend hoher Dichte von atomarem O führen könnte, was wiederum die Abscheidung von nahezustöchiometrichen Schichten ermöglichen könnte. Die Energieverteilungsfunktionen (EDF) der O(-)-Ionen beim Magnetronsputtern von Nb, Ta, Zr und Hf in einer Ar/O2-Atmosphäre wurden als Funktion des O2-Partialdruckes gemessen. Drei Ionengruppen konnten in den Plasmen identifiziert werden: niedrig-, mittel-, und hochenergetische O(-)-Ionen. Die EDF wurden mit den auf der Sputtertheorie basierenden EDF verglichen. Unter der Voraussetzung, dass die Oberflächenbindungsenergie und die Bildungsenthalpie gleich groß sind, ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Aus der Korrelation zwischen den gemessenen EDF und der in früheren Publikationen ermittelten Phasenstabilität kann abgeleitet werden, dass die hohen Ströme von mittel- und hochenergetischen O(-)-Ionen die Bildung von kristallinen Übergangsmetalloxidschichten bei niedrigen Temperaturen ermöglichen können. Weiterhin wurden die EDF der O(-)-Ionen beim Magnetronsputtern von Al als Funktion des O2-Partialdruckes gemessen und der Ursprung der drei O(-)-Ionengruppen diskutiert. Anhand der Rechnungnen wird ersichtlich, dass nichtgesputterte, von der Targetoberfläche stammende O(-)-Ionen im Kathodenfall beschleunigt werden, während gesputterte O(-)-Ionen als unbedeutender Beitrag der hochenergetischen O(-)-Ionen vernachlässigt werden können. Darüber hinaus werden Beweise über gesputterte und beschleunigte AlO(-)- und AlO2(-)-Cluster präsentiert, die in der Gasphase dissoziieren und einen signifikanten Beitrag zu den mittelenergetischen O(-)-Ionen liefern. Die hier aufgeführten Ergebnisse beschreiben Wege zur Erhöhung der Abscheiderate durch Änderung der Plasmachemie und zur Phasenstabilität der Oxidschichten durch Änderung der Plasmaenergetik.

In the thesis, the relationship between the plasma chemistry and energetics, and the thin film composition and structure evolution of transition metal oxide thin films deposited by magnetron sputtering in an Ar/O2 atmosphere is investigated as a function of the O2 partial pressure (p(O2)). The previously reported composition of films deposited onto grounded non-intentionally heated substrates was correlated with the dominant positive and negative ion populations in the plasma. While the oxygen deficient films were grown in the Ar(+) dominant mode, the close-to-stoichiometric films were grown in the O(+)/O(-) dominant mode. The formation of close-to-stoichiometric ZrO2.1 is observed in the compound mode, while the formation of closed-to-stoichiometric Nb2O4.7 thin films was reported in addition to the compound mode also in the transition mode. This may be understood based on 1.5-1.9 times higher power dissipated in the Nb-Ar-O2 plasma as compared to the Zr-Ar-O2 plasma. It is suggested that at larger power O2 dissociation may be more efficient and lead to the presence of sufficiently high atomic oxygen density to fully oxidize the films. Further, the energy distribution functions (EDF) of O(-) ions of magnetron sputtered Nb, Ta, Zr, and Hf in an Ar/O2 atmosphere were measured as a function of the p(O2). Three ion populations were detected in the plasma: low, medium and high energy ions. The EDFs were compared to distributions obtained based on sputtering theory. If the surface binding energy is assumed to be equal to the heat of formation, good agreement between the experiment and theory was achieved. From correlating the measured ion energy distributions with previously published phase stability data, it can be deduced that large fluxes of medium and high energy O(-) ions may enable the formation of crystalline transition metal oxide thin films during low temperature growth. Furthermore, the EDFs of O(-) ions of magnetron sputtered Al were measured as a function of the p(O2) and the origin of the three ion populations is discussed. Based on calculation, it is proposed that non-sputtered O(-) ions originating from the target surface are accelerated in the cathode fall, while sputtered O(-) ions may be excluded as a significant contribution to the high energy ion population. Moreover, evidence for accelerated sputtered AlO(-) and AlO2(-) clusters is presented, which subsequently dissociate forming a significant part of the detected medium energy O(-) ions. The here presented findings may provide pathways towards deposition rate enhancement through altering the plasma chemistry as well as a phase stability tuning through varying the plasma energetics.

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