Optische Eigenschaften metallischer und dielektrischer Dünnfilme bei der Ionenstrahlbeschichtung

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1 Optische Eigenschaften metallischer und dielektrischer Dünnfilme bei der Ionenstrahlbeschichtung C. Bundesmann, I.-M. Eichentopf, S. Mändl, H. Neumann, Permoserstraße15, Leipzig, D-04318, Germany 1

2 Inhalt Einführung und Grundlagen Metallische Dünnfilme - Vorauswahl - Reflektivitäten von Ag und Au Dielektrische Dünnfilme - SiO x (in-situ und ex-situ) - TiO x (ex-situ) Zusammenfassung 2

3 Aufgabenstellung Abscheidung: Ziel: Laserspiegel für Mikrolaserspiegel (λ = 1064 nm) - Hohe Reflektivität (R > 99.5%) - Minimale Dicke (d < 2 µm) - Minimale Verspannung (σ < 20 MPa) Vortrag I.-M. Eichentopf Variation der Verspannung optischer dünner Schichten abgeschieden mit DIBD Lösung: - Abscheidung mit Dual ion beam deposition (DIBD) - Kombination von metallischen und dielektrische Dünnfilmen (Bragg-Spiegel) TiO 2 SiO 2 TiO 2 n Schichtpaare SiO 2 Metall (Au, Ag, Al) 3

4 DIBD-Aufbau RF-Ionenstrahlquelle II ( Assist source ) 40 mm, Energie bis zu 2 kev Pulslängenmodulation (PLM) Ar, Xe Targethalter (manuell) Ellipsometereinheit Ellipsometereinheit RF-Ionenstrahlquelle I ( Sputter source ) 40 mm, Energie bis zu 2 kev Ar Substrathalter (automatisiert, rotierend) Gaseinlass Reaktivgas (O 2 ) 4

5 Spektroskopische Ellipsometrie Grundlegende Gleichung: R p ρ = = tanψ cos i R s R p/s Reflexionskoeffizient für Licht polarisiert parallel/senkrecht zur Einfallsebene Prinzip: Merkmale - Änderung des Polarisationszustandes bei Reflexion - Optische Konstanten n und k, Schichtdicke d Merkmale - Zerstörungsfreie Methode - ρ ist Intensitätsverhältnis - Keine Referenzmessung notwendig - 2 Parameter je Messung (bis zu 16 Parameter) - Ideal für ex-situ und in-situ 5

6 Ellipsometer In-situ IOM Leipzig Ex-situ Prozesskontrolle: Wachstumsraten Einstellen der Schichtdicke Komposition M88 (J. A. Woollam Inc.): 88 Wellenlängen λ = nm t = 1/25 s Optische Charakterisierung: Brechungsindex Reflektivität M2000-VI (J. A. Woollam Inc.): 514 Wellenlängen λ = nm Rotierender Kompensator 6

7 Inhalt Einführung und Grundlagen Metallische Dünnfilme - Vorauswahl - Reflektivitäten von Ag und Au Dielektrische Dünnfilme - SiO x (in-situ und ex-situ) - TiO x (ex-situ) Zusammenfassung 7

8 Vorauswahl Metalle Reflektivität Berechnete Reflexionsspektren unter Verwendung tabellierter optischer Konstanten. TiO 2 SiO 2 TiO 2 n Schichtpaare R Einfallswinkel 10 Ag Au n=5 Al + Bragg n Anzahl der Schichtpaare n=1 SiO 2 Au, Ag, Al 0.96 Al λ [nm] Reflektivität R > 99.5% für 5 Paare SiO 2 (d=183.5nm) / TiO 2 (d=144.2nm). Gesamtdicke des Schichtstapels d < 2µm. E. D. Palik (Ed.), Handbook of Optical Constants of Solids,

9 Vorauswahl Metalle Reflektivität 1.00 Einfallswinkel 10 λ = 1064 nm Ag, Au, Al Ag 0.94 Au R 0.92 Au, Ag, Al Al Ellipsometrie Palik λ [nm] Vergleich der Reflexionsspektren berechnet mit tabellierten optischen Konstanten (Palik) und experimentell bestimmten optischen Konstanten (Ellipsometrie). Au or Ag, Reflektivität von Al zu klein 9

10 Au + Ag: Reflektivität bei λ = 1064 nm Variation der Energie der Sputterionen (U beam ) Au Ag Reflektivität bei λ=1064nm U Beam [V] Reflektivität bei λ=1064nm U Beam [V] Au, Ag d~300nm - Reflektivität (bei λ=1064nm) für alle Au Filme größer als 97,4% Ag Filme größer als 98.4% - Maximum für geringe Ionenergie Wachstumsparameter U Acc : 80 V P FWD : 121 W Ar-Fluss: 2,0 sccm Mit Substratrotation 10

11 Au und Ag: Spezifischer Widerstand Variation der Energie der Sputterionen (U beam ) Spezif. Widerstand [willk.einh.] Au U Beam [V] Spezif. Widerstand [willk.einh.] Ag U Beam [V] - Schichtwiderstandsmessungen: Spezifischer Widerstand nimmt mit steigender Ionenergie zu - XRD: Hinweis auf Änderungen in der Mikrostruktur R sq = ρ d 11

12 Inhalt Einführung und Grundlagen Metallische Dünnfilme - Vorauswahl - Reflektivitäten von Ag und Au Dielektrische Dünnfilme - SiO x (in-situ und ex-situ) - TiO x (ex-situ) Zusammenfassung 12

13 SiO x : In-situ Ellipsometrie M88 Ψ [ ] Modell Exp λ = 303,5 nm Exp λ = 502,5 nm Exp λ = 701,1 nm O 2 -Fluss: 2 sccm Wachstumsrate: ~10nm/min Höhe der Interferenzoszillationen wächst mit zunehmenden O 2 -Fluss O 2 -Fluss: 4 sccm Brechungsindex nimmt ab 45 Absorption nimmt ab Ψ [ ] t [min] Wachstumsparameter: U Beam : 800 V U Acc : 80 V P FWD : 121 W Ar-Fluss: 2,0 sccm Ohne Substratrotation 13

14 SiO x : Optische Eigenschaften M2000 Variation des O 2 -Flusses 2.0 sccm O sccm O sccm O 2 n A B SiOx Si C k A B C A B C A B C A: d ~ 330 nm B: d ~ 260 nm C: d ~ 190 nm λ [nm] Wachstumsparameter U Beam : 800 V / 1200 V U Acc : 80 V / 121 V P FWD : 121 W /121 W Ar-Fluss: 2,0 sccm Ohne Substratrotation Änderung der optischen Eigenschaften mit Änderung des Verhältnisse der zerstäubten Si-atome / O 2 -Partialdruck 14

15 SiO x (DIBD): Brechungsindex Abscheidung mit Ar-Ionenbeschuss / Einsatz Quelle 2 Variation Ionenflussdichte (PLM) Variation Ionenergie (U Beam ) 1.53 U Beam,2 = 0 V, PLM = 0 % 1.53 U Beam,2 = 0 V, PLM = 0 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 1 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 2 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 6 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 8 % U Beam,2 = 600 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 800 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 1000 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 1400 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 1540 V, PLM = 4 % n n λ [nm] λ [nm] - Brechnungsindex wird kleiner, aber k = 0! - Ähnliche Ergebnisse für Beschuss mit Xe-Ionen, aber geringere Änderungen in n. 15

16 TiO x : Optische Eigenschaften M2000 Variation des O 2 -Flusses 2.0 sccm O sccm O sccm O n k d = 51 nm d = 35 nm d = 24 nm d = 47 nm d = 32 nm d = 21 nm λ [nm] d = 214 nm d = 145 nm d = 97 nm TiOx Si Wachstumsparameter U Beam : 1000 V / 1200 V U Acc : 80 V / 121 V P FWD : 121 W /121 W Ar-Fluss: 2,0 sccm Ohne Substratrotation - n variiert nur gering mit O 2 -Fluss - k = 0 Geringerer O2-Fluss als für SiO 2 ausreichend 16

17 TiO x (DIBD): Brechungsindex Abscheidung mit Ar-Ionenbeschuss / Einsatz Quelle 2 Variation Ionenflussdichte (PLM) Variation Ionenergie (U Beam ) U Beam,2 = 0 V, PLM = 0 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 1 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 2 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 6 % U Beam,2 = 0 V, PLM = 0 % U Beam,2 = 600 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 800 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 1000 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 1200 V, PLM = 4 % U Beam,2 = 1400 V, PLM = 4 % n n λ [nm] λ [nm] - Brechnungsindex wird kleiner, aber k = 0! - Ähnliche Ergebnisse für Beschuss mit Xe-Ionen 17

18 Inhalt Einführung und Grundlagen Metallische Dünnfilme - Vorauswahl - Reflektivitäten von Ag und Au Dielektrische Dünnfilme - SiO x (in-situ und ex-situ) - TiO x (ex-situ) Zusammenfassung 18

19 Zusammenfassung und Ausblick Ergebnisse: - Erolgreicher in-situ Einsatz der Ellipsometrie zur Charakterisierung metallischer und dielektrischer Schichten (Wachstumsraten, Stöchiometrie) - Ex-situ Charakterisierung (optische Konstanten und Reflektivitäten) - Zusammenhang zwischen optischen und/oder elektrischen Eigenschaften mit Wachstumsparametern Nächste Schritte: - Abscheidung und Optimierung der Spiegelschichsysteme 19

20 Danksagung Prof. M. Grundmann, Prof. B. Rheinländer (Universität Leipzig) M2000 J. W. Gerlach (IOM) XRD F. Scholze, B. Faust (IOM) ISQ Finanzielle Unterstützung: Sächsische Aufbaubank (10866/1681). 20

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 21