Sputter deposition of iridium and iridium oxide for stimulation electrode coatings [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Börge Wessling

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 38
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Sputter Deposition of Iridium and Iridium Oxide
for Stimulation Electrode Coatings









Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation











vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Börge Wessling









Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. W. Mokwa
Universitätsprofessor Dr. rer. nat. H. Lüth


Tag der mündlichen Prüfung: 09.11.2007




Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.
Danksagung
Diese Arbeit entstand w˜ahrend meiner Zeit als Stipendiat und wissenschaft-
licher Mitarbeiter am Institut fur˜ Werkstofie der Elektrotechnik, Lehrstuhl
I, der Rheinisch-Westf˜alischen Technischen Hochschule Aachen.
Herrn Professor Mokwa m˜ochte ich ganz herzlich fur˜ die Anregung zu
diesem Thema und fur˜ die Betreuung der Arbeit danken. Herrn Professor
˜Luth˜ m˜ochte ich fur˜ die Ubernahme des Korreferats und das meiner Arbeit
entgegengebrachte Interesse danken.
Dr. Uwe Schnakenberg gilt mein Dank fur˜ die enge Zusammenarbeit bei
wissenschaftlichen Fragen. Meinen Kollegen, insbesondere Dennis Ellersiek,
GeraldGanske,Andr¶evanOoyen,Dr.EvelinaSlavchevaundDanielLusebrink˜
danke ich fur˜ die Hilfsbereitschaft, die vielen fruchtbaren Diskussionen und
die gute Zusammenarbeit am Institut.
Mein herzlicher Dank gilt den Studienarbeitern und studentischen Hilfs-
kr˜aften, deren engagierter und ideenreicher Einsatz wesentlich zum Gelin-
gen dieser Arbeit beigetragen hat. Dabei m˜ochte ich insbesondere Julian
Knutzen und Denis Erguvan erw˜ahnen. Bei allen Kolleginnen und Kolle-
gen der Technologie, der elektronischen und mechanischen Werkst˜atten und
des Sekretariats m˜ochte ich mich fur˜ die mir zuteil gewordene Unterstutzung˜
bedanken. Mein besonderer Dank gilt Georg Dura, Achim Malzahn, Rein-
hard K˜orfer, Hartmut Putz˜ und Jochen Heiss fur˜ die Unterstutzung˜ in tech-
nischen Angelegenheiten, sowie Gisela Wasse fur˜ die REM-Aufnahmen. Der
deutschen Forschungsgemeinschaft danke ich fur˜ die Finanzierung im Rah-
men des Graduiertenkollegs 1035, Biointerface.
Ich m˜ochte meinen Eltern, meinem Bruder Bengt, meiner Freundin Jenny
und meinen Freunden von ganzem Herzen fur˜ die Unterstutzung˜ bei der
Durchfuhrung˜ der Arbeit danken.
iContents
1 Introduction 5
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Preparation of Ir and IrOx coatings . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Sputtering of Ir and IrOx . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Electrochemical performance of Ir and IrOx . . . . . . 12
1.3 Aims of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Experimental 15
2.1 Sputter deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Characterization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Electrochemical characterization . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Chemical and physical c . . . . . . . . . 17
3 Reactive RF Sputtering onto Cold Substrates 19
3.1 Generic curves and deposition rates . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Surface structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Chemical composition of RF-sputtered fllms . . . . . . . . . . 26
3.4 Electrochemical properties of fllms . . . . . . . . 28
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Plasma Excitation, Substrate Temperature, and Activation 33
4.1 Comparison of deposition characteristics . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Chemical composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Electrochemical characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4 Morphology and chemistry of activated IrOx . . . . . . . . . . 39
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 Simulation of Sputter Deposition 47
5.1 Monte Carlo simulation of gas phase transport . . . . . . . . . 47
5.1.1 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
iiiiv CONTENTS
5.1.2 Simulation procedure: sputter transport . . . . . . . . 49
5.2 Monte Carlo simulation of fllm growth . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.1 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.2 Simulation procedure: fllm growth . . . . . . . . . . . 59
6 Design of Ir Thin Films 65
6.1 Transport of sputtered Ir atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1.1 Veriflcation of the transport model . . . . . . . . . . . 65
6.1.2 Energy and angular distributions of incident atoms . . 66
6.2 Simulated Ir fllm growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2.1 Efiects of simulated mechanisms on fllm growth . . . . 72
6.2.2 Veriflcation of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3 Electrochemical properties of Ir fllms . . . . . . . . . . . . . . 79
6.3.1 Experimental results: electrochemical activity . . . . . 79
6.3.2 Comparisonofmodelandexperiment: electrochemical
activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4 Crystallographic orientation of Ir fllms . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.1 Experimental results: texture . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.2 Comparison of model and experiment: texture . . . . . 91
6.5 Comments on the fllm growth model . . . . . . . . . . . . . . 93
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7 Increased Electrochemical Activity 97
7.1 Combination of low mobility and reactive sputtering. . . . . . 97
7.2 Film thickness increase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8 Conclusions 105
8.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Glossary 111
References 115Chapter 1
Introduction
1.1 Motivation
Theinterestiniridium(Ir)andiridiumoxide(IrOx)hasbeengrowingdueto
their remarkable chemical, electrochemical and physical properties. Ir(Ox)
has been evaluated for applications in a wide range of flelds, including pH-
sensing, electrochromic devices and optical information storage, chlorine or
oxygen evolution, neural stimulation, fleld emission cathodes, and advanced
1memory technology.
For the latter, IrOx as one of the few naturally highly conducting oxides
can be used as electrode or difiusion barrier material for nonvolatile memory
devices based on ferroelectric materials such as Pb(Zr;Ti)O (PZT) [1{8].3
11 13The memory devices have to undergo 10 -10 read/write cycles [8], calling
for extraordinary long-term reliability. Difierent from other electrode mate-
rialssuchasPt, andbasedonhighthermalandchemicalstability, IrOxdoes
not react with the capacitor environment during annealing steps and use. It
further acts as an oxygen difiusion barrier, which inhibits the deterioration
of ferroelectric and contact properties.
IrOx has recently attracted interest as an emitter or protective coating
material in fleld emission cathode arrays, used in vacuum microelectronic
devices or as displays [9{11]. The emission surface has to be stable in the
presence of residual oxygen in the vacuum environment. Compared to con-
ventional Ir/Pt/Au top electrodes, the performance is improved due to the
chemical and thermal stability, a high difiusion resistance, and a low surface
work function of 4.2 eV.
1In the course of this work, and following the majority of research published, the
material is generally termed IrOx irrespective of particular chemical composition.
56 CHAPTER 1. INTRODUCTION
Most applications of IrOx are based on its electrochemical properties.
One of the earliest investigated flelds was electrochromism [12{16]. Rapid
(within 50 msec [13]) and reversible coloration and bleaching of the material
occurs during redox cycling in electrolyte. The material is transparent in
the reduced state, and becomes blue-black in the oxidized state. Re ectance
changes of up to 60% were reported, which, however, is less than values
achieved with other materials such as Ni oxide [12]. Difierent electrochromic
coloring mechanisms have been proposed, based on hydroxide and proton
movement to the redox centers [15,17,18].
Similarly, IrOx has also been evaluated as material for optical informa-
tion storage [19,20]. Thermally induced dehydration of hydrated IrOx fllms
resulted in regions of distinct transmission characteristics.
Regarding the use in potentiometric pH-sensing applications, IrOx thin
fllmelectrodesexhibitafastandstrongchangeinopencircuitpotentialupon
pH alterations. Furthermore, the material is stable over a wide pH range
even under high temperatures and in aggressive environments [21{25]. The
stability is one of the main reasons for its application as durable electrodes
for chlorine or oxygen evolution [26{29].
A further important fleld is the use of IrOx as coating for electrodes in
functional electrical stimulation