Process property relations in reactively sputtered transition metal compounds [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Konstantinos Sarakinos

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 12
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 22 Mo

Extrait

Process - property relations in reactively sputtered
transition metal compounds
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Konstantinos Sarakinos, M.Sc.
aus Thessaloniki, Griechenland
Berichter: Herr Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Matthias Wuttig
Herr Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dieter Mergel
Tag der mündlichen Prüfung: 26. November 2007
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfügbarä
.
/
ä
Î

Ì
¿
/
Î
Ì

È
2
ó
/

ú
Ç
Î
.

"All I know is that I know nothing (gr: )"
Socrates, 470 BC - 399 BC
iiiContents

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. An overview of thin film technology and science . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1. Sputtering process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1. Theoretical treatment of the sputtering process . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2. Direct current (dc) diode sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3. Principles of glow discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3.1. Definition of plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3.2. Collision processes . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3.3. Sheath formation at a floating substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3.4. Dc glow discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4. Magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.5. Reactive magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.6. High power pulsed magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2. Atomistic mechanisms during thin film formation . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1. Early stages of thin film formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1.1. Condensation of the impinging atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1.2. Surface diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1.3. Nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2. Film growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3. Effect of energetic species on the growing film during sputtering . . . 31
2.2.4. Generation and evolution of residual stresses in thin films . . . . . . . . 34
2.2.4.1. Stress generation in the film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.4.2. Stress generation at the substrate/film interface . . . . . . . . . . . . . 37


iii3. Analytical methods and experimental facilities . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1. The sputter deposition setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2. Plasma characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1. Electrostatic probe measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2. Optical emission spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3. Determination of atomic composition in thin films . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4. Investigation of film microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1. X – ray based techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1.1. Microscopic interactions of the X-rays with matter . . . . . . . . . . . 48
3.4.1.2. X – ray diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.1.3. X – ray diffraction measurement geometries . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1.4. X-ray reflectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.1.5. The Phillips X’Pert diffractometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.2. Transmission electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.3. Scanning electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5. Determination of residual stresses in thin films . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.1. The wafer curvature method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
23.5.2. The sin ψ method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6. Optical properties in thin films . . . . . . . . . . . . . 62
3.6.1. Spectroscopic ellipsometry in bulk materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.2. Spectroscopic ellipsometry in thin films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.3. Dispersion relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.3.1. Empirical dispersion relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.3.2. Classical dispersion relations 68
3.6.3.3. Quantum - mechanical dispersion relations . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.4. The Woollam M2000-UI rotating compensator ellipsometer . . . . . . . 71


iv4. The effect of the backscattered energetic species on the growth of
reactively sputtered transition metal nitride films . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2. The role of the backscattered energetic species in thin film growth in
reactive magnetron sputtering of chromium nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1. Experimental procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.2. Simulation of the growth process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.3.1. Film and plasma properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.3.2. Growth process simulation . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.4. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3. The effect of backscattered energetic species on stress formation and the
surface morphology of reactively sputtered vanadium nitride thin films. . . 88
4.3.1. Experimental procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2.1. Deposition characteristics and simulation results . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2.2. Plasma composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.2.3. Film properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.3. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5. Control, modeling and enhancement of the deposition rate in high
power pulsed magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2. Pulse configuration effect on the discharge characteristics and the
deposition rate in non-reactive high power pulsed magnetron sputtering . 101
5.3. Theoretical description and modeling of the deposition rate in a non-
reactive high power pulsed magnetron sputtering discharge . . . . . . . . . . 108
5.3.1. Introduction and motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
v5.3.2. Experimental procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.3. Theoretical description of the deposition process . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3.3.1. Calculation of the target sputtering yield . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.3.2. Estimation of the relative ion current fractions . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.4. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.3.1. Target characteristics and sputtering yield . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.3.2. Plasma composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.3.3. Deposition rate and model implementation 119
5.3.5. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4. Enhancement of deposition rate during rate during reactive high power
pulsed magnetron sputtering of zirconium oxide films . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6. The effect of the deposition parameters on the properties of
transition metal compound films deposition by high power pulsed
magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2 Process characteristics and the film properties upon growth of TiO films x
by high power pu