In-situ Ionenstrahlanalytik: Analyse eines Magnetron-Targets

Die reaktive Schichtabscheidung, insbesondere das reaktive Magnetronsputtern ist eine weitverbreitete Technik zur Herstellung von oxidischen, nitridischen oder auch carbidischen Dünnschichten. Bei dem plasmagestützten Verfahren werden die aus einer Gasentladung stammenden Argon-Ionen auf ein metallisches Target hin beschleunigt und zerstäuben dieses. Beim reaktiven Zerstäubungsprozess werden zusätzlich zu dem inerten Gas (Ar) auch reaktive Gase wie Sauerstoff oder Stickstoff in die Beschichtungskammer eingeleitet. Die durch die Targetzerstäubung auf dem Substrat gebildete metallische Schicht kann dann durch die reaktiven Spezies aus dem Plasma oxidiert bzw. nitriert werden.

Da die chemische Reaktion nicht nur auf der Substratoberfläche, sonder auch auf allen anderen Oberflächen  abläuft, kommt es auch auf der Targetoberfläche zu einer Verbindungsbildung (Targetvergiftung). Dieser meist sprunghaft stattfindende Vergiftungsprozess stellt einen limitierenden Faktor bei der reaktiven Schichtabscheidung dar. Prozessgrößen wie die Sputterausbeute, der Reaktivgaspaspartialdruck und damit die Schichtstöchiometrie der herzustellenden Dünnschicht können innerhalb von Sekunden extrem schwanken und zeigen eine nichtlineare, hystereseartige Abhängigkeit vom Reaktivgasfluss (siehe Abb. 1).

 

Abb.1: Sowohl Targetvergiftung als auch Reaktivgaspartialdruck hängen empfindlich vom Fluss des in die Kammer  strömenden Reaktivgases ab. Bei einem kritischen Fluss von ca. 0.6 sccm steigt der Reaktivgas-Partialdruck sprunghaft an. Der Beschichtungsprozess verläuft bei diesen Parametern aufgrund der auftretenden Hysterese instabil.

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Mit dem in Abb. 2 vorgestellten experimentellen Aufbau können die komplexen, physikalischen Vorgänge am Sputtertarget eines Magnetrons in-situ und während des Beschichtungsprozesses untersucht werden. Dabei erfolgt die ortsaufgelöste Charakterisierung der Targetoberfläche durch Methoden der Ionenstrahlanalyse (NRA, RBS) sowie durch die Analyse der gesputterten Targetatome mittels Massenspektrometer. Letztere Technik diente auch zur Charakterisierung der Plasmaeigenschaften.

   

Abb. 2: Experimenteller Aufbau zur in-situ Analyse eines Magnetron-Sputter-Targets. Die Position des im Zentrum der Vakuumkammer befindlichen Magnetrons kann in Höhe und Winkel verändert werden, was umfangreiche Analysen des Targets mittels Ionenstrahl und Massenspektrometer erlaubt.

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Die bisher durchgeführten Experimente brachten wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Plasma-Target Wechselwirkungen. So wurde beispielsweise die Existenz einer, mehrere Monolagen dicken, Nitridschicht auf dem Magnetrontarget experimentell nachgewiesen [1]. Aufgrund der quer über das Target gemessenen Variation dieser Schichtdicke konnte auf die bei der Targetvergiftung dominierenden Prozesse geschlossen werden [2]. Unter Hinzunahme der Ergebnisse der Plasmaanalyse konnten bestehende Modelle zur Beschreibung des reaktiven Sputterprozesses erweitert, und diese mit einem Modell zur globalen Plasmasimulation verknüpft werden [3,4].

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Referenzen:

[1]  Mechanisms of target poisoning during magnetron sputtering as investigated by real-time in situ analysis and collisional computer simulation  (Güttler et al. Appl. Phys. Lett. 85, (2004))

[2]  Lateral variation of target poisoning during reactive magnetron sputtering (Güttler et al. Appl. Phys. Lett.90, 263502 (2007))

[3]  Laterally resolved Energy distributions of sputtered and plasma species from reactive magnetron sputtering of Titanium (D.Güttler and W. Möller, eingereicht 2007)

[4]  Modelling of plasma-target interaction during reactive magnetron sputtering of TiN (W. Möller and D. Güttler J. Appl. Phys., eingereicht 2007)