Influence of the plasma chemistry and energetics of an Al cathodic arc discharge on the composition and structure of Alumina thin films

  • Einfluss der Plasma-Chemie und Energetik von einer Al kathodischen Bogenentladung auf die Zusammensetzung und Struktur von dünnen Aluminaschichten

Atiser, Adil; Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2011)
Doktorarbeit

In: Materials chemistry dissertation 2011,10
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIII, 77 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurde die Beziehung zwischen Plasmachemie und Energetik und den Dünnschicht-Eigenschaften für eine kathodische Bogenentladung mit Al-Ionen untersucht. Ein nahezu monoenergetischer Strahl von mono-geladenen Al-Ionen wurde bei einem Druck-Entfernungs Produkt über 128 Pa.cm generiert. In der Literatur beschriebene kathodische Bogenentladung-Verteilungen für Al-Ionen zeigen immer relativ hohe Energiewerte im Endbereich der Verteilung, der es schwierig machte, den Einfluss der Plasma-Parameter auf die Dünnschicht-Eigenschaften zu analysieren. Die Thermalisierung der kathodischen Bogenentladung ist ein erwartetes Ergebnis bei hohen Druck-Entfernung-Produkten. Dieser Arbeit ist besonders interessant, weil die Thermalisierung unter Bedingungen beobachtet wurde, bei denen die Abscheiderate noch sehr hoch (ca. 1 nm / s) war. Es wurde gezeigt, dass kristalline Schichten mit alpha-und gamma-Al2O3-Phasen abgeschieden werden konnten mit monoenergetischen mono-geladenen Al-Ionen aus kathodischen Bogenentladungen. Dieses Ergebnis erlaubt eine einfachere Untersuchung des Einflüsses der Plasma-Parameter (z. B. Ionenfluss und Energie) auf die Dünnschicht-Eigenschaften. Die Plasma-Chemie und die Energetik einer Al-kathodischen Bogenentladung wurden als Funktion des Filterstroms untersucht. Bei Filterströmen <15A bestand das Plasma vorwiegend aus Al+-Ionen (>94%). Bei Filterströmen >17A erhöht sich die Arund O2-Ionen-Population und dominiert die Plasma-Zusammensetzung. Die durchschnittliche Energie der Al+-Ionen weichen nicht wesentlich von einander ab. Der Total- sowie Al+-Fluss nimmt jedoch um eine Größenordnung zu, wenn der Filter-Strom von 10 auf 20 A erhöht wird. XRD- und SAED-Ergebnisse zeigen, dass die viii bei 10, 17 und 20 A abgeschiedenen Filme gamma-Al2O3 enthalten. Die bei 12 und 15 A abgeschiedenen Filmen enthalten eine Phasenmischung aus alpha-Al2O3 und gamma-Al2O3. Die alpha-Al2O3-Phase könnte durch die zusätzliche Energie, die auf das Substrat durch höheren Ionenfluss gebracht wurde, enstanden sein. Die Korngröße wurde zu 20-30 nm berechnet. Der durchschnittliche E-Modul Wert der gamma-Al2O3 Filme wurde 7-20% niedriger als die Werte in der Literatur gemessen. SEM- und TEM-Untersuchungen zeigen, dass dichte Filme mit säulenförmigen sowie gleichachsigen Körnern aufgebaut werden können. Dünne Filme wurden bei Substrat-Bias-Potenzialen von -8 V bis -300 V auf TiAlN beschichteten Si-Wafern bei einem Filterstrom von 20 A abgeschieden. Alle Filme zeigten ein O/Al-Verhältnis von 1,5±1% und sind damit in der Nähe von stöchiometrischem Aluminiumoxid. XRD-Ergebnisse zeigen die Bildung von gamma-Al2O3 in allen Filmen. Es gab keine Hinweise auf das Vorhandensein von anderen Phasen. Der E-Modul Werte der von -50 bis -250 V abgeschiedenen Filme weichen bis zu 14% von den Young‘s-Modulus-Werten von gamma-Al2O3 aus der Literatur (350 GPa) ab. Die bei -50 V bis -250 V abgeschiedenen Filme sind dicht. Das TEM-Bild für den bei -200 V abgeschiedenem Film zeigt eine dichte gamma-Al2O3-Schicht mit Körnern von etwa 20 nm Größe. Aufgrund von Glüh-Experimenten in Luft ist die Einsatztemperatur von gamma-Al2O3 beschichteten Wendeschneidplatten mit einer TiAlN-Zwischenschicht auf Temperaturen unterhalb 1000°C begrenzt.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern