Ionen-Energie-Verteilungen beim reaktiven Magnetronsputtern von W-, Cu- und In-Targets in Ar/H 2 S. S. Seeger, K. Harbauer, K.

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Eva Raske
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1 IonenEnergieVerteilungen beim reaktiven Magnetronsputtern von W, Cu und InTargets in Ar/. eeger, K. Harbauer, K. Ellmer HahnMeitnerInstitut Berlin GmbH Abteilung olare Energetik

2 Motivation: Reaktives Magnetronsputtern: Herstellung von halbleitenden sulfidischen chichten (W 2, CuIn 2 ) Anwendung: Absorberschichten in Dünnschichtolarzellen Gliederung: 1. Potentialverteilungen beim reaktiven Magnetronsputtern 2. PlasmaprozessMonitor: IonenEnergieVerteilungen 3. Ergebnisse: Wolfram Target (Variation von Druck/Leistung) Kupfer Target (Variation des H Indium Target 2 Anteils) 4. Zusammenfassung 2

3 1. Potentialverteilungen beim reaktiven Magnetronsputtern N N N U Target U 1 Target Ar e e M Me U Plasma Me, Me, Ar 2 3 Plasma /Ar ubstrat Target: Ø 5 mm Abstand: 6 mm Gas: Argon/ U floating z 1. 1 putterprozess am Target (Neutrale) 2. 2 negative Ionen (Me, ) 3 positive Ionen (,, Ar, Me ) 3

4 2. PlasmaprozessMonitor PPM 422 (Balzers instruments) Welche Ionen treffen auf das ubstrat? Wie hoch ist die Energie der Ionen? N EV e Ar U floating Massenanalysator N N Target e W Plasma /Ar Energieanalysator U Target Vakuumsystem 4

5 Aufbau des PlasmaprozessMonitors PPM 422 (Balzers instruments) Plasma p=1 4 Pa EV Blende: Ø,3 mm (ichtwinkel beträgt ca.,5 ) p=.52 Pa Ionenoptik Energieanalysator Massenanalysator Extraktionshaube Vakuum ystem Betriebsarten: "Energycans für verschiedene Massen Masscans für feste Energie Neutrale positive Ionen negative Ionen 5

6 3. Ergebnisse: WTarget 1 7 WolframTarget, negative Ionen, DC 25 W, 1.6 Pa, /Ar 5% H 2 H 3 Ar = amu H = 33 amu 34, = 34 amu H 34 = 35 amu W 3 W DCAnregung atom mass (amu) HF: Anregung.5 Pa = amu.5 Pa = amu.9 Pa.5 Pa.9 Pa 1.6 Pa1.6 Pa.9 Pa.5 Pa.9 Pa 1.6 Pa 1.6 Pa energy (ev) energy (ev) [negative auerstoffionen: M. Zeuner et al., putter process diagnostic by negative ions, J. Appl. Phys., 83, 583 (1998)] 6

7 WolframTarget, positive Ionen, DC 25 W, 1.6 Pa, /Ar 5% Ar O ArH mass (amu) = 34 amu.5 Pa IonenEnergieVerteilungen artefact 1. Pa 1.6 Pa positive chwefelionen aus dem Plasma energy (ev) 2 3 7

8 WTarget: Vergleich der mittleren IonenEnergie ( / ) bei Variation des puttergasdruckes und der Leistung (DCund HFAnregung) mittlere IonenEnergie (ev) mittlere IonenEnergie (ev) DCAnregung U DC =4 V.5 negative Ionen.5 positive Ionen 1. (hochenergetisch) (niederenergetisch) W 1.5 puttergasdruck (Pa) 1.5 puttergasdruck (Pa) mittlere IonenEnergie (ev) mittlere IonenEnergie (ev) HFAnregung (27.12 MHz) U DC =7 V W.5 positive Ionen puttergasdruck (Pa) negative Ionen 1 W 75 W 5 W puttergasdruck (Pa)

9 Ergebnisse: CuTarget KupferTarget, negative Ionen, DC 15 W, 1Pa, /Ar 5% H = amu H = 33 amu 34, = 34 amu 2 3 H 34 = 35 amu U dc = 37 V U fl = 12.7 V 4 6 H 8 mass (amu) negative chwefelionen aus dem Plasma und vom Target niederenergetisch hochenergetisch (U DC 37 V) energy (ev) 9

10 KupferTarget, positive Ionen, DC 15 W, 1Pa, /Ar 5% Cu 2 Cu Ar 2 3 = amu H = 33 amu 34, = 34 amu H 34 = 35 amu mass (amu) = amu U dc = 368 V U fl = 12.6 V H = 33 amu Cu = 63 amu Cu, H 2 = 65 amu positive chwefelionen aus dem Plasma positive Kupferionen (Cu =63,5 / 65 amu) (Cu 2 =31,8 amu) energy (ev)

11 CuTarget: Vergleich der mittleren IonenEnergie ( / ) bei Variation des Anteils (DCund HFAnregung) Entladungsspannung U DC (V) Anteil (%) DCAnregung HFAnregung 15 W DCAnregung 5W HFAnregung (27.12 MHz) 4 5 mittlere Ionen Energie (ev) (negative chwefelionen) (negative chwefelionen) (positive chwefelionen) Anteil (%) 2 ev 6 ev 1 ev mittlere Ionen Energie (ev) (positive chwefelionen) Anteil (%) 11 7 ev 17 ev

12 Ergebnisse: InTarget IndiumTarget, negative Ionen, DC 15 W,1 Pa, /Ar 5% H In = amu H = 33 amu 34, = 34 amu H 34 = 35 amu In In mass (amu) U dc = 435 V U fl = 12.8 V 34 = amu 34, H2 = 34 amu In = 147 amu negative chwefelionen aus dem Plasma und vom Target negative Indiumsulfidionen energy (ev)

13 IndiumTarget, positive Ionen, DC 15 W, 1Pa, /Ar 5% In Ar In In 5 In 2 6 In 2 = amu H = 33 amu 34, = 34 amu H 34 = 35 amu In 2 In U dc = 43 V U fl = 12.7 V 8 1 = amu = 34 amu 115 In 12 = 115 amu 115 In = 147 amu 115 In2 = 23 amu 115 In2 = 262 amu mass (amu) positive chwefelionen aus dem Plasma positive Indiumionen In, In energy (ev) positive Indiumsulfidionen In, In 2, In

14 InTarget: Vergleich der mittleren IonenEnergie ( / ) bei Variation des Anteils (DCund HFAnregung) Entladungsspannung U DC (V) DCAnregung HFAnregung 4 5 Anteil (%) 15 W DCAnregung 5W HFAnregung (27.12 MHz) mittlere Ionen Energie (ev) In ev 4 ev 15 ev mittlere Ionen Energie (ev) In ev 17 ev Anteil (%) Anteil (%) 14

15 4. Zusammenfassung Messungen der IonenEnergieVerteilungen für W, Cuund InTargets beim reaktiven Magnetronsputtern in /Ar: positive und negative chwefelionen ( x, H x, x mit x=19) DCAnregung: nieder und hochenergetische negative Ionen HFAnregung: mittlere Energie der negativen Ionen ist niedriger als bei DC Anregung (Entladungsspannung U (DC) > U (HF) ) mittlere Energie der positiven Ionen ist bei HFAnregung höher als bei DC Anregung (höhere Elektronen Temperatur) CuTarget: keine positiven/negativen KupfersulfidIonen (Cu) 15

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