Entwicklung und Optimierung von Prozeßkomponenten zur ionenunterstützten Abscheidung bei PVD-Verfahren PDF
Preview Entwicklung und Optimierung von Prozeßkomponenten zur ionenunterstützten Abscheidung bei PVD-Verfahren
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
The list of books you might like
