Systematic investigation of the ion beam sputter deposition process of TiO2
Synthesis and Properties of Functional Materials
Final Report Abstract
Ziel des Projekts waren umfassende und systematische Grundlagenuntersuchungen des Schichtabscheideprozesses mittels Ionenstrahlzerstäubens (Ionenstrahlschichtabscheidung). Bei der Ionenstrahlschichtabscheidung trifft ein Strahl energetischer Teilchen (Primärionen) auf ein Target, als Folge dessen Targetteilchen zerstäubt werden. Diese Teilchen kondensieren auf einem Substrat und bilden eine Schicht. Zudem werden Primärteilchen am Target gestreut. Es ist hinreichend bekannt, dass die Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen (Teilchensorte, Teilchenflussdichte und Energie) einen starken Einfluss auf die Schichteneigenschaften haben. Die Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen hängen stark von der Abscheidemethode und den Prozessparametern ab. Obwohl die Ionenstrahlschichtabscheidung schon seit mehreren Jahrzehnten (auch industriell) genutzt wird, so fehlten jedoch bisher systematische Grundlagenuntersuchungen zum Zusammenhang zwischen den Prozessparametern, den Teilchen- und den Schichteigenschaften. Im Projekt wurden deshalb Untersuchungen an mehreren Beispielsystemen durchgeführt: Ag (Metall), Si und Ge (Halbleiter), TiO2 und SiO2 (Dielektrika). In Abhängigkeit von den Ionenstrahlparametern (Ionensorte, Ionenenergie) und geometrischen Parametern (Ioneneinfallswinkel und Emissionswinkel der schichtbildenden Teilchen) wurden die Teilcheneigenschaften gemessen und Schichten abgeschieden. Anschließend wurden umfangreiche Experimente zur Bestimmung der Schichteigenschaften durchgeführt. Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: o Die wesentlichen Prozessparameter sind die Streugeometrie (Streuwinkel) und die Ionensorte (genauer die Masse der Ionen im Verhältnis zur Masse der Targetatome). Ionenenergie und Einfallswinkel (bei gleichem Streuwinkel) haben eine untergeordnete Bedeutung. o Die Energie der zerstäubten Targetteilchen ist geringer als die der gestreuten Primärteilchen und zeigt nur geringere Änderung bei der Verwendung unterschiedlicher Ionensorten. Sie nimmt aber mit zunehmender Ionenenergie und abnehmendem Streuwinkel zu. o Die gestreuten Primärteilchen können eine Maximalenergie von mehreren 100 eV erreichen. Die mittlere Energie nimmt mit abnehmenden Streuwinkel und zunehmender Ionenenergie zu. Es gibt deutliche Unterschiede für die verschiedenen Ionensorte, die auf die Abhängigkeit des Impuls- und Energieübertrags vom Masseverhältnis der Wechselwirkungspartner zurückzuführen ist. o Alle untersuchten Schichteigenschaften (Schichtdicke, Wachstumsrate, strukturelle Eigenschaften, Zusammensetzung, Oberflächenrauigkeit, Massendichte, optische oder elektrische Eigenschaften) zeigen eine deutliche Korrelation mit den Prozessparametern, aufgrund der oben genannten Zusammenhänge für die Teilcheneigenschaften. Besonders hervorgehoben werden muss, dass die gestreuten Primärionen den dominanten Einfluss auf die Änderungen der Schichteigenschaften haben. Dieser Fakt wurde bisher nur unzureichend berücksichtig. Die durchgeführten Arbeiten zeigen eindrucksvoll, dass das Ionenstrahlzerstäuben die Möglichkeit bietet, die Schichteigenschaften gezielt über einen großen Variationsbereich zu beeinflussen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind von großer technologischer Bedeutung, da sie es erstmals ermöglichen, das volle Potential der Ionenstrahlschichtabscheidung zu nutzen.
Publications
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