Variation der Verspannung optischer dünner Schichten abgeschieden mit DIBD

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1 Variation der Verspannung optischer dünner Schichten abgeschieden mit DIBD I.-M. Eichentopf, C. Bundesmann, S. Mändl, H. Neumann e.v., Permoserstraße15, Leipzig, D-04318, Germany 1

2 Gliederung Motivation Grundlagen Ergebnisse - Au und Ag - TiO 2 - SiO 2 Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Motivation Ziel: Laserspiegel für λ = 1064nm mit - minimaler Verspannungen (< 20 MPa) - geringer Gesamtschichtdicke (d < 2µm) - hohe Reflexivität (R > 99,5%) Lösung: Schichtabscheidung mittels Dual ion beam deposition (DIBD) TiO 2 SiO 2 n Paare TiO 2 SiO 2 Metall (Au, Ag, Al) 3

4 UHV-Kammer zur Ionenstrahlbeschichtung HF-Ionenquelle II ( Assist-Quelle ) 40 mm, Ionenenergie bis zu 2 kev Pulslängenmodulation (PLM) Targetwechsler (manuell) Ellipsometereinheit Ellipsometereinheit HF-Ionenquelle I ( Sputter-Quelle ) 40 mm Ionenenergie bis 2 kev Substrat (automatisiert, rotierend) 4

5 Grundlagen- Eigenspannung Eigenspannungstypen hinsichtlich ihres Ausdehungsbereiches: I. Art: über mehrere Kornbereiche homogen II. Art: variieren zwischen den Körnern III. Art: schwanken über den atomaren Bereich Gesamtspannung: ' '' ''' σ ( r) = σ ( r) + σ ( r) + σ ( r) ij ij ij ij 5

6 Grundlagen- Eigenspannung tensil Schicht Substrat kompressiv σ > 0 σ < 0 Stoney-Gleichung: σ = (1 E ν ) 2 D 6 Rd E... E-Modul/Substrat; ν... Poissonzahl/Substrat; R... Biegeradius; D... Substratdicke; d... Schichtdicke 6

7 Spannungsreduzierung durch Ionenbeschuss Verspannung [arb.u.] σ = 0 R/j=1 R/j=5 R/j=20 Y σ(e) (1 ν) k = 0.016ρE E Ionenenergie R E j ke 5 3 R Nettoionenflussdichte der schichtbildenden Teilchen Energie [ev] C. A. Davis, Thin Solid Films 226, (1993). j Flussdichte der auftreffenden Ionen Y..E-Modul des Films ν..poissonzahl E 0...effektive Anregungsenergie ρ = 1 7

8 Laserprofilometer Prinzip: Messung der Krümmung mit Laserprofilometer OM µscan (λ = 780 nm) Berechnung des Schichtspannung mit Stoney-Formel Parameter Profilometer: Messbereich x/y.. z. Auflösung x/y.. z. Messgeschwindigkeit Arbeitsabstand... Abtastrate x 100 mm 2 1 mm 1 µm 0,025 µm 0,1 30 mm/s 2 mm 10 khz 8

9 Auswertung der Scandaten Beispiel: TiO 2 auf Si (DIBD) Profil [µm] Differenzprofil [µm] unbeschichtet B Differenzkurve quadratische Anpassung Y = E-4 X-2.643E-9 X 2 Messkurven Differenz x-scanlinie [µm] Stoney Krümmungsradius R = -189 m Schichtspannung σ = -98 MPa 9

10 Schichtspannung in Au und Ag Variation Ionenenergie Quelle1, kein zusätzlicher Ionenbeschuss Gold σ=0 Silber Strahlspannung der Quelle 1 [V] Strahlspannung Quelle 1 [V] P FWD : 121W; Ar: 2.0sccm; U Acc : 80V; -Gold zeigt kompressive Verspannung -Silber zeigt tensile Verspannung t= 7-14min 10

11 Schichtspannung in Au und Ag Gold und Silber nach Reinigung der Substrates durch Ionenbeschuss Variation Strahlspannung Gold mit zusätzlichem Ionenbeschuss Silber mit zusätzlichem Ionenbeschuss Strahlspannung der Quelle 2 [V] Variation Schichtdicke Gold Schichtdicke [nm] U Beam1 : 1000V; U Acc1/2 : 150V/120V U Beam1 : 1000V; U Acc1 : 201V Ar1/Ar2: 3,0/7,0sccm; Ar1/Ar2: 3,0/7,0 sccm; Zeit: 6min; Zeit: 6-18min; Einsputtern: 5min 30s Einsputtern -vollständige Relaxation der Schichtspannung -kein Schichtdickeneffekt 11

12 Schichtspannung in TiO 2 Ohne zusätzlichen Ionenbeschuss Variation Ionenenergie Quelle 1 Mit zusätzlichem Ionenbeschuss Variation Ionenenergie Quelle P FWD : 121W; U Acc1 : 80V; Ar: 2,0 sccm; Zeit: min P FWD1/2 : 121W; U Beam1 : 1000V; U Acc1/2 : 80V/120V Ar1/Ar2/O 2 : 3,0/7,0/2,0 sccm; PLM 2 : 4; Zeit: 60min Strahlspannung der Quelle 1 [V] Strahlspannung der Quelle 2 [V] - deutliche Relaxation der verspannten TiO 2 -Schichten durch zusätzlichem Ionenbeschuss 12

13 TiO 2 Einfluss der Ionenflussdichte Variation Ionenflussdichte Quelle 2-50 Ar als Zerstäubungsgas: Ar1/Ar2/O 2 : 3,0/7,0/2,0 sccm; Ar Xe U Beam1/2 : 1000V/1200V; U Acc1(2 : 80V/120V; Xe als Zerstäubungsgas: Ar1/Xe2/O 2 : 3,0/2,0/2,0 sccm; U Beam1/2 : 1000V/1200V; U Acc1/2 : 80V/120V; Abscheidezeit: 60min PLM Quelle 2 - niedrigste Verspannung für PLM=4 und Ar als Zerstäubungsgas - niedrige PLM ausreichend - für Ar und Xe als Zerstäubungsgas ähnliche Ergebnisse 13

14 TiO 2 Einfluss der Ionenenergie Variation Ionenenergie Quelle 2-60 Ar1: 3,0sccm; Ar2: 7,0sccm; Xe2: 2,0; -80 O 2 : 2,0sccm U Beam1 : 1000V; U Acc1(2 : 80V/120V;PLM 2 : Ar Xe Verspannung [arb.u.] Abscheidezeit: 60min σ = 0 R/j=1, ρ=1, E 0 =8eV R/j=5, ρ=1, E 0 =8eV R/j=20, ρ=1, E 0 =8eV Strahlspannung der Quelle 2 [V] Energie [ev] - mit steigender Strahlspannung der Quelle 2 sinkt die Verspannung der TiO 2 -Schicht - für Ar und Xe als Zerstäubungsgas ähnliche Ergebnisse 14

15 Schichtspannung in SiO 2 Ohne zusätzlichen Ionenbeschuss Mit zusätzlichem Ionenbeschuss Variation Ionenenergie Quelle1 Variation Ionenenergie Quelle P FWD : 121W; U Acc1 : 80V; Ar1/O 2 : 2,0/8,0 sccm; Zeit: 30min P FWD1/2 : 121W; U Beam1 : 800V; U Acc1/2 : 80V/120V Ar1/Ar2/O 2 : 3,0/7,0/8,0 sccm; PLM 2 : 2; Strahlspannung Quelle 1 [V] Zeit: 60min Strahlspannung Quelle 2 [V] -deutliche Relaxation der verspannten SiO 2 -Schichten unter zusätzlichem Ionenbeschuss 15

16 SiO 2 -Einfluss der Ionenflussdichte Variation Ionenflussdichte Quelle Xe Ar Ar als Zerstäubungsgas: Ar1/Ar2/O 2 : 3,0/7,0/8,0 sccm; U Beam1/2 : 800V/1200V; U Acc1(2 : 156V/120V; Xe als Zerstäubungsgas: Ar1/Xe2/O 2 : 3,0/2,0/8,0 sccm; U Beam1/2 : 800V/1200V; U Acc1/2 : 120V/120V; Abscheidezeit: 30min PLM Quelle 2 - geringe Variation der Verspanung für Xe, - Streuung der Werte für Ar 16

17 SiO 2 -Einfluss der Ionenenergie Variation Ionenenergie Quelle Ar Xe Verspannung [arb.u.] Ar als Zerstäubungsgas: Ar1/Ar2/O 2 : 3,0/7,0/8,0 sccm; Xe als Zerstäubungsgas: Ar1/Xe2/O2: 3,0/2,0/8,0 sccm; U Beam1 : 800V; U Acc1(2 : 80V/120V; PLM 2 : 2/4 Abscheidezeit: 60min/30min σ = 0 R/j=1, ρ=1, E 0 =8eV R/j=5, ρ=1, E 0 =8eV R/j=20, ρ=1, E 0 =8eV Strahlspannung der Quelle 2 [V] Energie [ev] - Verspannung variiert gering mit Variation der Strahlspannung für Ar - deutliche Relaxation mit steigender Strahlspannungen für Xe 17

18 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: Abscheidung von unverspannten Au- und Ag-Schichten Reduzierung der Verspannung in TiO 2 - und SiO 2 -Schichten durch zusätzlichen Ionenbeschuss (DIBD) Deutlicher Einfluss durch Energie und Stromdichte der Beschussionen Art der Beschussionen hat geringen Einfluss Ausblick: Abscheidung und Optimierung von Schichtsystemen 18

19 Danke an M. Mäder (IOM) REM J. W. Gerlach (IOM). XRD data Gefördert durch die Sächsische Aufbaubank (SAB 10866/1681). Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 19

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