Precursoren zur Plasmajetbeschichtung

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1 Precursoren zur Plasmajetbeschichtung Manuela Janietz, Thomas Arnold, Leipzig 1

2 Gliederung Literaturübersicht Versuchsaufbau Precursoren und Schichtcharakterisierung -SiO 2 -ah-cn x Zusammenfassung 2

3 Überblick Plasmajetabscheidung Abscheidung von SiO 2 Precursor: HMDSO, TEOS, TMS Substrat: Siliziumwafer Anregung: RF (13,56 MHz), Mikrowelle (2,45 GHz) Anwendung: Korrosions- und Verschleißschutz, Diffusionsbarriere, hydrophile und hydrophobe Schichten [Babayan, Plasma Sources Sci. Technol. 10 (2001) 573] [Raballand, Journal of Applied Physics 105 (2009) ] [Asad, Plasma Process. Polym. 6 (2009) S508] 3

4 Überblick Plasmajetabscheidung Abscheidung von CeO x Precursor: Aerosol der Wasserlösung eines Cer-Salzes Substrat: Aluminium Anregung: RF (13,56 MHz) Anwendung: leitfähige Flugzeugbeschichtung, um den Aufbau statischer Ladung zu verhindern [Soukop, Surface and Coatings Technology 169 (2003) 571] 4

5 Überblick Plasmajetabscheidung Abscheidung Teflon-artiger C:F-Schichten Precursor: c-c 4 F 8 Substrat: Silizium, Aluminiumfolie Anregung: RF (27,12 MHz) Anwendung: integrierte Schaltungen, wasserabweisende Beschichtung auf Textilien [Vogelsang, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) ] 5

6 Motivation Eine am IOM entwickelte Plasmajetquelle, die mit flüssigen und gasförmigen Precursoren betrieben werden kann, steht zur Verfügung. Untersuchung verschiedener Precursoren, um verschiedenen Anforderungen an den Abscheidungsprozess und das hergestellte Material zu genügen: - Stabilität - geringe Rauigkeit - hohe Abscheidungsraten - Wirtschaftlichkeit - Reproduzierbarkeit - 6

7 Experimenteller Aufbau (A) Gaszufluss ~ Gaszufluss Kapillarrohr 600 (A) (B)+(C) Schirmung Elektrode Höhe in nm Plasmajet Heizer flüssiger Precursor Substrat (B) (C) Position in mm ~ ~ Aufbau (A) HMDSO Aufbau (B) Propanol Aufbau (C) Methan 1 mm heater 7

8 Parameter Parameter Aufbau A Aufbau B + C Heliumfluss Stickstofffluss 600 sccm 800 sccm 100 sccm 1000 sccm Sauerstofffluss 20 sccm - Fluss des Precursors 2 sccm 3 sccm Pulsweite Maximale Mikrowellenleistung mittlere Mikrowellenleistung Pulsweite Abstand zum Substrat 150 W 4 W 7 μs 4 mm 150 W 7 W 7 μs 1 mm Leistung in W Frequenz bestimmt mittlere Leistung maximale Leistung Geschwindigkeit des Jets Substrattemperatur 1 mm/s RT 5 mm/s RT Zeit in μs 8

9 SiO 2 Precursor Precursor Struktur Molare Masse Siedepunkt HMDSO Hexamethyldisiloxan C 6 H 18 Si 2 O 162,38 g/mol 100 C TMS Tetramethylsilan C 4 H 12 Si 88,23 g/mol 26 C Rauigkeit (AFM): 10 nm 0 nm 2 µm R q = 1,68 nm 9

10 SiO 2 Eigenschaften Zusammensetzung: - Si:O = 1:2 - kein Kohlenstoff (außer an Oberfläche) - weniger als 7 % Wasserstoff Dichte: 1,8 2,1 g/cm³ Brechungsindex: n = 1,4 1,45 (bei λ = 550 nm) Substratheizung: - Dichte steigt - Wasserstoff- und OH-Anteil sinken - Material wird härter Verschleißmessungen (75 mn): 50 μm Plasmajet, RT Plasmajet, 500 C thermisches SiO 2 10

11 Si:N - Precursor Precursor Struktur Molare Masse Siedepunkt HMDS Hexamethyldisilazan C 6 H 19 Si 2 N 161,39 g/mol 126 C Rauigkeit (micromap): Häufig milchige Belegung mit hoher Rauigkeit. 11

12 Si:N XPS N1s Siliziumwafer Si:O:N Intensität N-O N-N N-Si Intensität Bindungsenergie in ev Bindungsenergie in ev Stickstoffanteil (ermittelt mit XPS): 1 % (Si: 26 %, C: 9 %, O: 64 %) 12

13 TiO 2 - Precursor Precursor Struktur Molare Masse Siedepunkt TTIP Titan(IV)-isopropoxid C 12 H 28 O 4 Ti 284,2 g/mol 232 C Rauigkeit (Lichtmikroskop): 50 μm 13

14 ah-cn x - Precursoren Precursor Struktur Molare Masse Siedepunkt Isopropanol C 3 H 8 O 60,1 g/mol 82,5 C Methan CH 4 16,04 g/mol -161,6 C Rauigkeit (AFM): 1,5 nm -1,5 nm 1 µm R q = 0,26 nm 14

15 ah-cn x XPS C1s C-C Siliziumwafer Methan Propanol Intensität C=N C-N C N C-O Intensität Bindungsenergie in ev Bindungsenergie in ev Zuordnung nach: [Majumdar, Surf. Coat. Technol. 201 (2007) 6437] 15

16 ah-cn x FT-IR 2965 cm -1 -C-CH 3 normierte Intensität in a.u cm -1 (=C=O)NH C=N 1460 cm -1 =CH 2 /-CH cm -1 C-N 2180 cm -1 C N 2885 cm -1 CH 3345 cm -1 NH und OH Wellenzahl in cm -1 Zuordnung nach: [Majumdar, Surf. Coat. Technol. 203 (2009) 2013] 16

17 ah-cn x FT-IR [Fanchini, Diamond & Related Materials 14 (2005) 928] normierte Intensität in a.u. nur Schirmgas N 2 zusätzlicher N 2 Zusätzlicher Stickstoff durchs Kapillarrohr führt zur Verstärkung folgender Banden: cm -1 C-N cm -1 (=C=O)NH cm -1 ( C N) cm -1 Wasserstoffgebundes NH cm -1 NH Wellenzahl in cm -1 17

18 ah-cn x - Parametervariation Standardparameter 1.5 nm -1.5 nm 1 µm 100 nm Schmalere Pulsweite, weniger CH 4-25 nm 10 µm 18

19 ah-cn x Verschleiß und Zusammensetzung Zusammensetzung (in Atomprozent, ohne H): XPS (Oberfläche) C: 70 N: 7 O: 23 ERDA C: 76 N: 15 O: 9 H:?? N/C 0,1 0,2 (<< 1,33 in C 3 N 4 ) Verschleißmessungen (10 mn): ah-cn x -Schicht Siliziumoxid, Plasmajet thermisches Siliziumoxid 20 μm 19

20 Zusammenfassung Verschiedene Precursoren zur Plasmajetbeschichtung wurden getestet: - HMDSO Siliziumoxid - HMDS Siliziumnitrid X - TTIP Titanoxid X - Propanol, Methan amorphes, wasserstoffhaltiges Kohlenstoffnitrid (ah-cn x ) Das abgeschiedene Material wurde mit verschiedenen Analysetechniken charakterisiert: Zusammensetzung, Rauigkeit, optische und mechanische Eigenschaften Mit ah-cn x wurde ein mit hohen Raten lokal abzuscheidendes Material gefunden, dessen Anwendungspotential im Moment untersucht wird. 20

21 Danksagung Vielen Dank an: Dr. J. Gerlach D. Hirsch Dr. F. Frost Dr. G. Böhm A. Mießler J. Meister I.-M. Eichentopf Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 21