Influence of the plasma chemistry and energetics on the composition and structure evolution of sputtered oxide thin films [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stanislav Mráz

Heinjochen

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Influence of the plasma chemistry and energetics on
the composition and structure evolution of sputtered
oxide thin films
Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der
Rheinisch - Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von Magister
Stanislav Mráz
aus Malacky, Slowakei
Berichter: Univ.-Prof. Jochen M. Schneider, Ph.D.
Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Matthias Wuttig
Tag der mündlichen Prüfung: 04. August 2006
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibiothek online verfügbar Materials Chemistry Dissertation
No.: 07 (2006)
Stanislav Mráz
Influence of the plasma chemistry and energetics on
the composition and structure evolution of sputtered
oxide thin films
Shaker Verlag
Aachen 2006Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek
The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche
Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at
http://dnb.d-nb.de.
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006
Copyright Shaker Verlag 2006
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a
retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic,
mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission
of the publishers.
Printed in Germany.
ISBN-10: 3-8322-5522-2
ISBN-13: 978-3-8322-5522-0
ISSN 1861-0595
Shaker Verlag GmbH • P.O. BOX 101818 • D-52018 Aachen
Phone: [phone] • Telefax: 0049/2407/9596-9
Internet: www.shaker.de • e-mail: [e-mail]
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 / O atmosphere is 2
investigated as a function of the O partial pressure (p(O )). The previously 2 2
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 ZrO is 2.1
observed in the compound mode, while the formation of closed-to-
stoichiometric Nb O thin films was reported in addition to the compound 2 4.7
mode also in the transition mode. This may be understood based on 1.5-1.9
times higher power dissipated in the Nb-Ar-O plasma as compared to the Zr-2
Ar-O plasma. It is suggested that at larger power O dissociation may be 2 2
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(O ). Three ion populations 2
were detected in the plasma: low, medium and high energy ions. The EDFs
were compared to distributions obtained based on sputtering theory. If the
iiisurface 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(O ) and the 2
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 AlO clusters is presented, which 2
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.
ivZusammenfassung
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 ZrO geschah im 2.1
„Compoundmode“, während nahezustöchiometrisches Nb O sowohl im 2 4.7
„Compoundmode“ als auch im „Transitionmode“ abgeschieden wurde. Diese
Beobachtung kann mit der 1,5-1,9-fach höheren Leistung im Nb-Ar-O -Plasma 2
im Vergleich zum Zr-Ar-O -Plasma erklärt werden. Es sei darauf hingewiesen, 2
dass die Dissoziation von O duch die höhere Leistung effizienter ablaufen 2
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/O -Atmosphäre 2
wurden als Funktion des O -Partialdruckes gemessen. Drei Ionengruppen 2
konnten in den Plasmen identifiziert werden: niedrig-, mittel-, und
v-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 O -Partialdruckes gemessen und 2
-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 AlO -Cluster präsentiert, die in der Gasphase 2
-dissoziieren und einen signifikanten Beitrag zu den mittelenergetischen O -
Ionen liefen. Die hier aufgeführten Ergebnisse beschreiben Wege zur
Erhöhung der Abscheiderate durch Änderung der Plasmachemie und zur
Phasenstabilität der Oxidschichten durch Änderung der Plasmaenergetik.
viPreface
The work presented in this thesis is a summary of research performed at
Materials Chemistry, RWTH Aachen University.
Publications
Papers contributing to the thesis
Paper I Influence of the plasma chemistry on the composition of ZrOx
and NbO thin films deposited by reactive magnetron x
sputtering
S. Mráz and J.M. Schneider
Plasma Chem. Plasma Process. 26, 197 (2006).
Paper II Influence of the negative oxygen ions on the structure
evolution of transition metal oxide thin films
S. Mráz and J.M. Schneider
J. Appl. Phys. 100, 023503 (2006).
-Paper III Energy distribution of O ions during reactive magnetron
sputtering
S. Mráz and J.M. Schneider
Appl. Phys. Lett. 89, 051502 (2006).
Papers not contributing to the thesis
Paper IV Effect of ion energy on structure and composition of cathodic
arc deposited alumina thin films
J. Rosén, S. Mráz, U. Kreissig,, D. Music, and J.M. Schneider
Plasma Chem. Plasma Process. 25, 303 (2005).
viiPaper V Charge-state-resolved ion energy distributions of aluminum
vacuum arcs in the absence and presence of a magnetic field
J. Rosén, A. Anders, S. Mráz, and J.M. Schneider
J. Appl. Phys. 97, 103306 (2005).
Paper VI Reducing the impurity incorporation from residual gas by ion
bombardment during high vacuum magnetron sputtering
J. Rosén, E. Widenkvist, K. Larsson, U. Kreissig, S. Mráz, C.
Martinez, D. Music, and J.M. Schneider
Appl. Phys. Lett. 88, 191905 (2006).
Paper VII Influence of argon and oxygen on charge-state-resolved ion
energy distributions of filtered aluminum arcs
J. Rosén, A. Anders, S. Mráz, A. Atiser, and J.M. Sch