Entwicklung und Optimierung von Prozeßkomponenten zur ionenunterstützten Abscheidung bei PVD-Verfahren

125 Pages·1994·3.673 MB·German

by  Dipl.-Ing. Walter Olbrich (auth.)

Entwicklung und Optimierung von
Proze8komponenten zur ionenunterstiitzten
Abscheidung bei PVD-Verfahren
Von der Fakultiit Konstruktions-und Fertigungstechnik der Universitiit Stuttgart zur
Erlangung der Wiirde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung.
Vorgelegt von:
Dipl.-Ing. Walter Olbrich
aus Leonberg
Hauptberichter: Prof. Dr. h. c. mult. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke
Mitberichter: Univ.-Prof. Dr. techno O. Knotek, RWTH Aachen
Tag der Einreichung: 10.10.1993
Tag der miindlichen Priifung: 11.07.1994
Walter Olbrich
Entwicklung und
Optimierung von ProzeB
komponenten zur ionen
unterstiitzten Abscheidung
bei PVO-Verfahren
Mit 62 Abbildungen und 7 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest 1994
Dipl.-Ing. Walter Olbrich
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der UniversiUit Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der UniversiUit Stuttgart
Fraunhofer-Instltut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
D93
ISBN-13: 978-3-540-58511-4 e-ISBN-13: 978-3-642-47892-5
001: 10.10071 978-3-642-47892-5
OifilSfilS Werk ist urheberrechtlich geschOt~t. Die dadurch begrOndeten Rechle, insbesondere
dill der ObE!rsetlung, des Nachdrucks, des Vortrage, der Entnahme von Abbildungen und
Tllbellen, der Funksenclung, der Mlkroverfilmunll oder derVervlelUlltigung auf anderen Wegen
yncl der $Pfilicl1erung in Datenverarbeltungsanlagen, bleiben, auch bel nur auszugsweiser
Vetrwertung, vorbehalten. lOine VE!rvielfllltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes
isl auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestlmmungen des Urheber
reahtllgelletzes detr Bundesrepubllk Deutschlancl vom 9. September 1965 in der jeweils
QulllgE!n Fassung zullissig. Sie ist grundslltzlich vergOtungspflichtlg. Zuwiderhandlungen
IJnterliegen clen Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1994.
Pie Wieclergabe von Gebra!,lchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Wetrk berechllgt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche
Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frel zu betrachten
wllren und gaher von jeclermann benulzt werclen dOrftan.
So lite in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorsctlriften oder Rlchtlinien (z. B.
DIN, VPI. VDE) J;!ezug genom men oder aus Ihnen zitiE!rt worden sein, so kann der Verlag keine
oewahr for die Richtigkeit, VolIstlindigkeit oder AktualiUIt Obernehmen. Es empfiehlt sich, ge
ge\l!menfalls far die eigefl!!n Arbeiten die vollstllncllg!!n Vorschrift!!n oder Richtlinien in der
jeW!!ils Qilltigen Fassung hinzuzuziehen.
Ges!lrntherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim
SPIN 10482636 62/3020-6543210
Geleitwort der Herausgeber
Uber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt
wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt.
Das bedeutet, moglichst fruhzeitig absatzmarktorientierte Anforde
rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie
reno
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und er
offnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno
logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle
Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa
lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse
ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an
spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes,
die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations
geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die
tibergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losung
die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Fuh
rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die tiber den
Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh
men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte
grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich
tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men
schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die
traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei
ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie
rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent
wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin
vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemuhen durch die Ent
wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein
schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stutzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam
menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt
schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, L6sungen zu er
arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IA~
- Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung
(IPA) ,
- Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (IA(
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an
den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der
Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in deJ
Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fur die Prax:
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wir(
die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeb~
Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Obersicht uber
bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem SpringeJ
Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots
palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. MagE
das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.J. Warnecke H.-J. Bullinger
VOIWOrt
Die vorliegende Arbeit entstand wiihrend meiner Tiitigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Fraunhofer-Institut fur Produktionsteclmik und Automatisierung, Stuttgart. Zum Dank fur
den Ruckhalt und das Verstiindnis wiihrend des Entstehens der Arbeit widme ich das Buch
meiner Ira. Meinen Eltern gilt der Dank fur die stetige Hilfsbereitschaft und Unterstiitzung.
Mein Dank gilt Herm Prof Dr. multo Dr.-Ing. H.-J. Warnecke fur die gro6ziigige Unter
stiitzung und Forderung, welche die Durchfiihrung dieser Arbeit ermoglichte.
Herrn Univ.-Prof Dr. techno O. Knotek danke ich fur die eingehende Durchsicht der Arbeit
und die interessanten Diskussionen, die sich daraus ergaben.
Dariiber hinaus danke ich allen Mitarbeitern des Instituts, die mich durch ihre anregende Kritik
und Diskussion sowie durch ihre Mitarbeit unterstiitzt haben. Mein besonderer Dank gilt den
Herren Dr. K Melchior, Dr. G. Kampschulte, Dr.-Ing. D. Mann, Dipl.-Ing. P. Stratil, H.-G.
Schmitz, Dipl.-Ing. T. Knecht, Dipl.-Ing. R. Diener, J. Betzelt, Prof Dr. rer. nat. J. Fe6maun
und Frau lJill. Des weiteren danke ich Herrn Dr.-Ing. F. Loffier vom Lehrstuhl fur
Werkstoftkunde B der RWTH Aachen fur die Durchfuhrung der XRD-Analysen.
Stuttgart, Juli 1993 Walter Olbrich
Inhaltsverzeichnis
o Abkiirzungsverzeichnis ........................................................................................... 11
Einleitung .............................................................................................................. 15
2 Entwicklungsbedarfin der PVD-Technologie .......................................................... 17
3 Aufgabenstellung .................................................................................................... 19
4 PVD-Verfahrenstechnologie ............................................. . ............................... 20
4.1 Grundlagen .............................................................................................. 21
4.1.1 Vakuum ...................................................................................... 21
4.1.2 Niedertemperaturplasma ............................................................. 24
4. 1.3 Gasentladungen .......................................................................... 26
4.2 Beschichtungstechnologien ........................................................................ 31
4.2.1 Lichtbogen-Verdampfen .............................................................. 31
4.2.2 Sputtern ......................................................................... '" ........ 34
4.2.3 ProzeBablauf .............................................................................. 36
4.3 Konventionelle Methoden des ionenunterstiitzten Abscheidens .................. 39
4.3.1 DC-Biasspannung ........................................................................ 40
4.3.2 Ionenstrahlunterstiitztes PVD-Beschichten .................................. 41
4.3.3 Wirkung des Teilchenbeschusses auf die
Schichteigenschaften .................................................................... 43
4.3.4 VeIWendung gepulster Plasmen in der Schichttechnik ...... . ... 53
4.4 MeBverfahren .......... . .. ............................... 54
5 Die iiberlagert gepulste Biasspannung ................................................................... 60
5.1 Aufbau .... ............. 61
5.2 Grundlegende Betrachtungen zur iiberlagert gepulsten Biasspannung ........ 63
- 10-
6 Wirkungen der iiberlagert gepulsten Biasspannung auf die ProzeBbedingungen ....... 70
6.1 Beschichtungstemperatur .......................................................................... 71
6.2 Ionenstromdichte ...................................................................................... 74
6.3 Ionenenergie ............................................................................................. 78
7 Ergebnisse der Beschichtungsversuche .................................................................... 85
7. I Abscheiderate ............................................................................................ 85
7.2 Bevorzugte Kristallorientierung ................................................................. 87
7.3 Mikrostruktur ........................................................................................... 88
7.4 Schichteigenspannungen ............................................................................ 96
7.5 Verbundfestigkeit, Haftfestigkeit ............................................................... 98
7.6 Mikrohiirte .............................................................................................. 102
7.7 Rauheit ................................................................................................... 104
7.8 Korrosionsbestandigkeit .......................................................................... 106
8 Anwendungsbeispiele ............................................................................................ 108
9 Bewertung der Ergebnisse .................................................................................... 112
10 Zusammenfassung ................................................................................................. 114
11 Ausblick ............................................................................................................... 117
12 Literaturverzeichnis .............................................................................................. 118
o
Abkiirzungsverzeichnis
GroBe Einheit Bezeichnung
a flm/h Abscheiderate
ai % Ionisationsgrad
a, run Gitterparameter
a, mls2 Beschleunigung eines Ions im elektrischen Feld mit der
Feldstiirke Ujd (z = DC, Grund, Puis)
A mm2 gesarnte Substratflache
AB mm2 Flache der Blendenoffuung
AHV mm2 Eindruckfliiche
A", =2 MeBfiache bei der Ionenstromdichtemessung
ASub =2 Substratfiache, die einem IonenbeschuB ausgesetzt ist
CSuh kJ/(kg K) spez. Wiirmekapazitat der Substrate
C Konstante
d cm Abstand TeilchenqueUe -Substratoberfliiche
dD flm Dropletdurchmesser
dKo mm Abstand zwischen der Plasrnagrenze und dem IonenkoUektor
dN nm N etzebenenabstand
dSd> flm Schichtdicke
DC direct current, Gleichstrom
DSub mm Substratdicke
eo 1,6·1O-19C elektrische Elementarladung
E J Energie
Eo eV Ionenenergie nach Verlassen der QueUe
E Vim elektrische Feldstiirke des dUTCh die Biasspannung erzeugten
B13S
elektrischen Feldes
EBrems Vim elektrische Feldstarke im Faraday-Becher
Ee eV Elektronenenergie
Ee, eV Ellergie znm Anregen eines Teilchens
Elm eV mittlere Energie von Ionen
EI eV Energie zum Ionisieren eines Teilchens
Ep kombinierter Parameter
ESd> GPa E-Modul der Schicht
Esub GPa E-Modul des Substrates
Er eV Teilchenenergie
Er.N GPa Elastizitatsmodul von TiN
EMI Electromagnetic Insulation
- 12-
FHV N Priifkraft
FR N Reibkraft
h 6,62 10-34 W S2 Plancksches Wirkungsquantum
HVx Mikrohiirte
I(hkl) Intensitiit der (hkl)-RichtJrng bei Messung der bevorzugten
OrientienmgsrichtJrng mit Hilfe der Rontgenbeugung
Kollektorstromstiirke
Biasstromstiirke
I.n rnA MeBstrom der Ionenstromdichtemessung
mAD Ion Beam Assisted Deposition
Alm2 Stromdichte
j(U) 1/(mm2 S) Ionenstromdichte eines bestirnmten Energieniveaus
jabs 1/(mm2 S) gesamte Ionenstromdichte
je mA/Cm" Entladungsstromdichte
j,(Ko) I/(mm2s) Ionenstromdichte am Ionenkollektor
jim 1/(mm2 S) Ionenstromdichte
jkorr mA/cm2 Summenstromdichte
jm 1/(mm2 S) Neutralteilchenstromdichte
jspez 1/(mm2 s) energiespezifische Ionenstromdichte
k 1,38 10-23 JK-i Boltzmann-Konstante
Lc N kritische Last
m g mittlere Masse
IlIo g mittlere Gasteilchenmasse
11\", g mittlere Masse eines Ions
lllsub g Substratmasse
N Teilchenzahl
n Anzahl an der Oberlliiche verbleibender Teilchen
Anzahl auftreffender Teilchen
11m3 Ionendichte
Pa Druck
W Leistungsanteil infolge energetisch angeregter
Teilchenzustiinde
W vom Substrat abgegebene Leistung
W Leistungsanteil der chemischen Reaktionswiirme
W LeistJrngsanteil der kinetischen Teilchenenergie
W Leistungsanteil der Kondensationswiirme
W Leistungsanteil infolge von Wiirmeleitung vom Substrat
W Leistungsanteil infolge von WiirrneieitJrng zum Substrat
W Leistungsanteil der Wiirmeabstrahlung