Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bewertung eines Mehrfachschichtmodells für Permeationsbarrieren auf Basis einer detaillierten Charakterisierung der zugrunde liegenden Einzelschichten. Diese sind reaktiv gesputterte Oxidschichten als Barriereschicht und mittels Magnetron-PECVD abgeschiedene siliziumhaltige Plasmapolymerschichten zur Verwendung als Zwischenschicht. Zunächst werden die verschiedenen gesputterten Oxidschichten charakterisiert und verglichen. Die untersuchten Materialien sind Zinkoxid, Siliziumoxid, Zink-Zinn-Oxid, Aluminiumoxid und Titanoxid. Die wirkenden Permeationsmechanismen und die Ursachen für teils deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien werden diskutiert. Während die Sauerstoffpermeation immer durch Punktdefekte in den Schichten bestimmt wird, muss bei der Wasserdampfpermeation von weiteren Permeationsmechanismen ausgegangen werden. Am Beispiel des Zink-Zinn-Oxids und des Aluminiumoxids wird anschließend die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften von wesentlichen Prozessparametern wie Sputterleistung, Prozessdruck oder reaktiver Arbeitspunkt untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Plasmapolymerschichten hinsichtlich ihrer Struktur- und Permeationseigenschaften charakterisiert und mit gesputtertem Siliziumoxid verglichen. Die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften vom Kohlenstoffgehalt in den Schichten wird untersucht. Anhand der gewonnenen Ergebnisse werden abschließend sowohl die Sputterschichten als auch die mittels Magnetron-PECVD abgeschiedenen Schichten hinsichtlich ihrer Eignung für ein Barrieremehrfachschichtsystem bewertet. / The aim of this PhD-thesis is to evaluate a concept for a multilayer permeation barrier by a detailed characterization of the different constituent of the layer stack. The multilayer concept is based on reactively sputtered permeation barrier layers and an interlayer that is deposited by using a magnetron based plasma enhanced chemical vapor deposition (Magnetron-PECVD) process. In the first part of this thesis, different sputtered oxide layers are characterized and compared regarding their structural and surface properties as well as their water vapor and oxygen permeability. These oxide layers include the materials zinc oxide, silicon oxide, zinc-tin oxide, aluminum oxide and titanium oxide. The permeation mechanisms and reasons for significant differences in the water vapor and oxygen transmission rates in the different materials are evaluated and discussed. Oxygen permeation thereby is always dominated by defects in the layers. In contrast to that, additional permeation mechanisms can be assumed for water vapor permeation. The dependence of the gas permeation on sputter process parameters like plasma power, process pressure and reactive sputtering mode is evaluated for zinc-tin oxide and aluminum oxide layers. In the second part of this thesis, plasma polymer layers that are deposited using the Magnetron-PECVD process are characterized regarding their structure and surface roughness. Their water vapor and oxygen permeability is compared to the permeation through reactively sputtered silicon oxide layers. The dependence of the gas permeation on the atomic composition, in particular on the carbon concentration, is evaluated. Finally, both the sputtered oxide layers and the Magnetron-PECVD plasma polymer layers are evaluated regarding their usability in a multilayer stack for high permeation barrier applications.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Grenzflächenausbildung von dünnen Tantal- und Titan-basierenden Schichten zu den piezoelektrischen Substratmaterialien Lithiumniobat sowie Lithiumtantalat, als Teil eines Schichtstapels für die Metallisierung akustischer Oberflächenbauelemente. Ziel ist es das grundlegende Verständnis für die chemischen Wechselwirkungen beim Aufwachsen der Schichten, ihrer thermischen und zeitlichen Stabilität sowie ihrer Effekte auf das Schichtwachstum einer Deckschicht bestehend aus Aluminium zu gewinnen. Ein Schwerpunkt war die Präparation der Substratoberflächen hinsichtlich einer Oberflächenreinigung und -modifikation. Zu diesem Zweck wurden neben verschiedenen Standard-Verfahren auch eine eigens angefertigte plasmagestützte Oberflächenbehandlung systematisch analysiert. Auf derart präparierten Substraten fanden im Folgenden die Schichtabscheidung und die Analyse des Schichtwachstums, hauptsächlich mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, statt. Anhand von thermischen Belastungen sowie zeitlicher Veränderungen der Schichten im Vakuum konnten grundlegende Aussagen zur Stabilität der Grenzflächen gewonnen werden. Zur Komplettierung des Schichtstapels wurden auf ausgewählten Substrat-Schicht Kombinationen das Wachstum von Aluminiumschichten hinsichtlich ihrer unterschiedlicher Texturbildung analysiert und Aussagen zur Relevanz chemischer Ursachen getroffen. / This dissertation addresses the interface formation between thin Tantalum and Titanium based layers onto the piezoelectric substrate materials Lithiumniobate and Lithiumtantalate as part of a metallisation stack for surface acoustic wave devices. The goal is to extend the fundamental knowledge of chemical interactions during layer growth, its thermal and temporal stability plus its effects on the layer growth of an Aluminium cover layer. One focus lies on the preparation of the substrate surfaces for cleaning and modification purpose. For this, besides standard procedures a specially built plasma-based device was systematically evaluated for surface treatment. The following layer deposition was then implemented onto these prepared substrate surfaces and mainly analysed by angle-resolved photoelectron spectroscopy. By the means of thermal load and temporal alteration of the layers in vacuum essential knowledge about the interface stability was gained. For the completion of a whole layer stack selected substrate-layer combinations were covered with Aluminum and its layer growth was analysed with respect to the different formation of texture and its potential chemical cause.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bewertung eines Mehrfachschichtmodells für Permeationsbarrieren auf Basis einer detaillierten Charakterisierung der zugrunde liegenden Einzelschichten. Diese sind reaktiv gesputterte Oxidschichten als Barriereschicht und mittels Magnetron-PECVD abgeschiedene siliziumhaltige Plasmapolymerschichten zur Verwendung als Zwischenschicht. Zunächst werden die verschiedenen gesputterten Oxidschichten charakterisiert und verglichen. Die untersuchten Materialien sind Zinkoxid, Siliziumoxid, Zink-Zinn-Oxid, Aluminiumoxid und Titanoxid. Die wirkenden Permeationsmechanismen und die Ursachen für teils deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien werden diskutiert. Während die Sauerstoffpermeation immer durch Punktdefekte in den Schichten bestimmt wird, muss bei der Wasserdampfpermeation von weiteren Permeationsmechanismen ausgegangen werden. Am Beispiel des Zink-Zinn-Oxids und des Aluminiumoxids wird anschließend die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften von wesentlichen Prozessparametern wie Sputterleistung, Prozessdruck oder reaktiver Arbeitspunkt untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Plasmapolymerschichten hinsichtlich ihrer Struktur- und Permeationseigenschaften charakterisiert und mit gesputtertem Siliziumoxid verglichen. Die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften vom Kohlenstoffgehalt in den Schichten wird untersucht. Anhand der gewonnenen Ergebnisse werden abschließend sowohl die Sputterschichten als auch die mittels Magnetron-PECVD abgeschiedenen Schichten hinsichtlich ihrer Eignung für ein Barrieremehrfachschichtsystem bewertet. / The aim of this PhD-thesis is to evaluate a concept for a multilayer permeation barrier by a detailed characterization of the different constituent of the layer stack. The multilayer concept is based on reactively sputtered permeation barrier layers and an interlayer that is deposited by using a magnetron based plasma enhanced chemical vapor deposition (Magnetron-PECVD) process. In the first part of this thesis, different sputtered oxide layers are characterized and compared regarding their structural and surface properties as well as their water vapor and oxygen permeability. These oxide layers include the materials zinc oxide, silicon oxide, zinc-tin oxide, aluminum oxide and titanium oxide. The permeation mechanisms and reasons for significant differences in the water vapor and oxygen transmission rates in the different materials are evaluated and discussed. Oxygen permeation thereby is always dominated by defects in the layers. In contrast to that, additional permeation mechanisms can be assumed for water vapor permeation. The dependence of the gas permeation on sputter process parameters like plasma power, process pressure and reactive sputtering mode is evaluated for zinc-tin oxide and aluminum oxide layers. In the second part of this thesis, plasma polymer layers that are deposited using the Magnetron-PECVD process are characterized regarding their structure and surface roughness. Their water vapor and oxygen permeability is compared to the permeation through reactively sputtered silicon oxide layers. The dependence of the gas permeation on the atomic composition, in particular on the carbon concentration, is evaluated. Finally, both the sputtered oxide layers and the Magnetron-PECVD plasma polymer layers are evaluated regarding their usability in a multilayer stack for high permeation barrier applications.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Grenzflächenausbildung von dünnen Tantal- und Titan-basierenden Schichten zu den piezoelektrischen Substratmaterialien Lithiumniobat sowie Lithiumtantalat, als Teil eines Schichtstapels für die Metallisierung akustischer Oberflächenbauelemente. Ziel ist es das grundlegende Verständnis für die chemischen Wechselwirkungen beim Aufwachsen der Schichten, ihrer thermischen und zeitlichen Stabilität sowie ihrer Effekte auf das Schichtwachstum einer Deckschicht bestehend aus Aluminium zu gewinnen. Ein Schwerpunkt war die Präparation der Substratoberflächen hinsichtlich einer Oberflächenreinigung und -modifikation. Zu diesem Zweck wurden neben verschiedenen Standard-Verfahren auch eine eigens angefertigte plasmagestützte Oberflächenbehandlung systematisch analysiert. Auf derart präparierten Substraten fanden im Folgenden die Schichtabscheidung und die Analyse des Schichtwachstums, hauptsächlich mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, statt. Anhand von thermischen Belastungen sowie zeitlicher Veränderungen der Schichten im Vakuum konnten grundlegende Aussagen zur Stabilität der Grenzflächen gewonnen werden. Zur Komplettierung des Schichtstapels wurden auf ausgewählten Substrat-Schicht Kombinationen das Wachstum von Aluminiumschichten hinsichtlich ihrer unterschiedlicher Texturbildung analysiert und Aussagen zur Relevanz chemischer Ursachen getroffen. / This dissertation addresses the interface formation between thin Tantalum and Titanium based layers onto the piezoelectric substrate materials Lithiumniobate and Lithiumtantalate as part of a metallisation stack for surface acoustic wave devices. The goal is to extend the fundamental knowledge of chemical interactions during layer growth, its thermal and temporal stability plus its effects on the layer growth of an Aluminium cover layer. One focus lies on the preparation of the substrate surfaces for cleaning and modification purpose. For this, besides standard procedures a specially built plasma-based device was systematically evaluated for surface treatment. The following layer deposition was then implemented onto these prepared substrate surfaces and mainly analysed by angle-resolved photoelectron spectroscopy. By the means of thermal load and temporal alteration of the layers in vacuum essential knowledge about the interface stability was gained. For the completion of a whole layer stack selected substrate-layer combinations were covered with Aluminum and its layer growth was analysed with respect to the different formation of texture and its potential chemical cause.