Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem RF- überlagerten DC-Sputtern von Indiumzinnoxid und aluminiumdotierten Zinkoxid. Bei dem dafür entwickelten synchron gepulsten RF/DC-Verfahren werden die zu untersuchenden Materialien gleichzeitig mit Hilfe eines RF- und eines PulsDC-Generators gesputtert. Ein wesentliches Resultat der Untersuchungen ist, dass durch RF- überlagertes DCSputtern Schichten abgeschieden werden können, die im Vergleich zum DC- bzw. PulsDC-Sputtern geringere spezifische Widerstände aufweisen. Dies ist auf eine Verringerung von Defekten in den abgeschiedenen Schichten zurückzuführen. Es konnte anhand der Untersuchungen gezeigt werden, dass fur die Abscheidung von Indiumzinnoxid und aluminiumdotiertem Zinkoxid die Substrattemperatur beim RF überlagerten DC-Sputtern gegenüber dem DC-Sputtern um bis zu 100°C verringert werden kann.

Objective of the present work is a broad investigation of the so called "target poisoning" during magnetron deposition of TiN in an Ar/N2 atmosphere. Investigations include realtime in-situ ion beam analysis of nitrogen incorporation at the Ti sputter target during the deposition process and the analysis of particle uxes towards and from the target by means of energy resolved mass spectrometry. For experiments a planar, circular DC magnetron, equipped with a 2 inch titanium target was installed in an ultrahigh vacuum chamber which was attached to the beam line system of a 5 MV tandem accelerator. A manipulator allows to move the magnetron vertically and thereby the lateral investigation of the target surface. During magnetron operation the inert and reactive gas flow were adjusted using mass flow controllers resulting in an operating pressure of about 0.3 Pa. The argon flow was fixed, whereas the nitrogen flow was varied to realize different states of target poisoning. In a fi?rst step the mass spectrometer was used to verify and measure basic plasma properties e.g. the residual gas composition, the behavior of reactive gas partial pressure, the plasma potential and the dissociation degree of reactive gas molecules. Based on the non-uniform appearance of the magnetron discharge further measurements were performed in order to discuss the role of varying particle fluxes across the target during the poisoning process. Energy and yield of sputtered particles were analyzed laterally resolved, which allows to describe the surface composition of the target. The energy resolving mass spectrometer was placed at substrate position and the target surface was scanned by changing the magnetron position correspondingly. It was found, that the obtained energy distributions (EDF) of sputtered particles are influenced by their origin, showing signi?ficant differences between the center and the erosion zone of the target. These results are interpreted in terms of laterally different states of target poisoning, which results in a variation of the surface binding energy. Consequently the observed energy shift of the EDF indicates the metallic or already poisoned fraction on target surface. Furthermore the EDF's obtained in reactive sputtering mode are broadened. Thus a superposition of two components, which correspond to the metallic and compound fractions of the surface, is assumed. The conclusion of this treatment is an discrete variation of surface binding energy during the transition from metallic to compound target composition. The reactive gas target coverage as derived from the sputtered energy distributions is in reasonable agreement with predictions from model calculations. The target uptake of nitrogen was determined by means of ion beam analysis using the 14N(d, )12C nuclear reaction. Measurements at varying nitrogen gas flow directly demonstrate the poisoning eff?ect. The reactive gas uptake saturates at a maximum nitrogen areal density of about 1.1016 cm-2 which corresponds to the stoichiometric limit of a 3 nm TiN layer. At sufficiently low reactive gas flow a scan across the target surface discloses a pronounced lateral variation of target poisoning, with a lower areal density in the target race track compared to the target center and edge. Again the findings are reproduced by model calculations, which confirm that the balance of reactive gas injection and sputter erosion is shifted towards erosion in the race track. Accomplished computer simulations of the reactive sputtering process are similar to Berg's well known model. Though based on experimental findings the algorithm was extended to an analytical two layer model which includes the adsorption of reactive gas as well as its different kinds of implantation. A distribution of ion current density across the target diameter is introduced, which allows a more detailed characterization of the processes at the surface. Experimental results and computer simulation have shown that at sufficiently low reactive gas flow, metallic and compound fractions may exist together on the target surface, which is in contradiction to previous simulations, where a homogeneous reactive gas coverage is assumed. Based on the results the dominant mechanisms of nitrogen incorporation at different target locations and at varying reactive gas admixture were identified. / Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Targetvergiftung beim reaktiven Magnetronsputtern von TiN in Argon-Sticksoff Atmosphäre. Die Untersuchungen beinhalten die Echtzeit in-situ Ionenstrahlanalyse des Stickstoffeinbaus in das Titantarget während des Depositionsprozesses sowie die Analyse der Teilchenflüsse vom – und hin zum Sputtertarget mittels energieaufgelöster Massenspektrometrie. Das Magnetron wurde in einer Vakuumkammer installiert, welche an die Beamline des 5 MV Tandembeschleunigers angeschlossen war. Die Position des Magnetrons konnte mittels eines Manipulator verändert werden, was die laterale Untersuchung der Targetoberfläche ermöglichte. Während des Magnetronbetriebes wurde der Argonfluss in die Kammer konstant gehalten, während der Stickstofffluss variiert wurde um verschiedene Ausprägungen der Targetvergiftung zu erreichen. In einem ersten Schritt wurden die Eigenschaften des Plasmas, z.B. die Zusammensetzung des Sputtergases, das Verhalten des Reaktivgaspartialdruckes, das Plasmapotenzial und der Dissoziationsgrad der Reaktivgasmoleküle im Plasma, mit dem Massenspektrometer ermittelt. Aufgrund der ungleichmäßigen Gasentladung vor dem Magnetrontarget, wurden auch lateral variierende Teilchenflüssen und eine ungleichmäßige Targetvergiftung angenommen. Die Energie und die Ausbeute von gesputterten Teilchen wurde deshalb lateral aufgelöst untersucht. Das Massenspektrometer wurde zu diesem Zweck am Ort des Substrates positioniert und die Targetoberfläche konnte gescannt werden indem die Magnetronposition verändert wurde. Die so aufgenommenen Energieverteilungen der gesputterten Teilchen zeigen eine räumliche Abhängigkeit. Teilchen die aus dem Targetzentrum stammen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Energie signifikant von den Teilchen die in der Target-Erosionszone gesputtert werden. Dieses Resultat zeigt die ungleichmäßige Targetvergiftung, wodurch es zu einer Veränderung der Oberflächenbindungsenergie kommt. Über die Verschiebung in der Energieverteilung lässt sich somit der Zustand der Targetoberfläche beschreiben. Diese experimentellen Ergebnisse zeigen Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Modellrechnungen. Der Stickstoffgehalt des Targets wurde weiterhin mittels Ionenstrahlanalyse (NRA) bestimmt. Messungen bei verschiedenen Stickstoffflüssen demonstrieren direkt die Vergiftung des Targets. Die maximale Stickstoffkonzentration sättigt bei einem Wert, der dem Stickstoffgehalt in einer ca. 3 nm dicken Titannitridschicht entspricht. Bei ausreichend niedrigem Stickstofffluss zeigt die Messung quer über den Targetdurchmesser eine Variation im Stickstoffgehalt. Die Stickstoffkonzentration in der Erosionszone ist deutlich geringer als im Targetzentrum oder am Targetrand. Die Resultate wurden wiederum durch Modellrechnungen bestätigt. Die durchgeführten Computersimulationen basieren auf Sören Bergs Modell des reaktiven Sputterprozesses. Der Algorithmus wurde jedoch auf der Basis der experimentellen Ergebnisse erweitert. Das Modell beinhaltet nun Mechanismen des Reaktivgaseinbaus in das Target, wie Adsorption, Implantation und Recoilimplantation. Des Weiteren wurde die Ionenstromverteilung als Funktion des Targetdurchmessers in das Modell aufgenommen, was eine detailliertere Beschreibung des Prozesses ermöglicht. Die experimentellen Ergebnisse und die Resultate der Computersimulation zeigen, dass bei niedrigen Reaktivgasflüssen metallische und vergiftete Bereiche auf der Targetoberfläche gemeinsam existieren. Das ist im Widerspruch zu älteren Simulationen, in denen von einer homogenen Targetbedeckung durch das Reaktivgas ausgegangen wird. Basierend auf den Ergebnissen wurden die dominierenden Mechanismen des Reaktivgaseinbaus in das Sputtertarget, in Abhängigkeit von der Position und von der Sputtergaszusammensetzung, identifiziert.

In Silizium-Nanokristall-Speichern werden im Gate-Oxid eines Feldeffekttransistors eingebettete Silizium Nanokristalle genutzt, um Elektronen lokal zu speichern. Die gespeicherte Ladung bestimmt dann den Zustand der Speicherzelle. Ein wichtiger Aspekt in der Technologie dieser Speicher ist die Erzeugung der Nanokristalle mit einerwohldefinierten Größenverteilung und einem bestimmten Konzentrationsprofil im Gate-Oxid. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein sehr flexibler Ansatz untersucht: die thermische Ausheilung von SiO2/SiOx (x < 2) Stapelschichten. Es wurde ein Sputterverfahren entwickelt, das die Abscheidung von SiO2 und SiOx Schichten beliebiger Zusammensetzung erlaubt. Die Bildung der Nanokristalle wurde in Abhängigkeit vom Ausheilregime und der SiOx Zusammensetzung charakterisiert, wobei unter anderem Methoden wie Photolumineszenz, Infrarot-Absorption, spektroskopische Ellipsometrie und Elektronenmikroskopie eingesetzt wurden. Anhand von MOS-Kondensatoren wurden die elektrischen Eigenschaften derart hergestellter Speicherzellen untersucht. Die Funktionalität der durch Sputterverfahren hergestellten Nanokristall-Speicher wurde erfolgreich nachgewiesen. / In silicon nanocrystal memories, electronic charge is discretely stored in isolated silicon nanocrystals embedded in the gate oxide of a field effect transistor. The stored charge determines the state of the memory cell. One important aspect in the technology of silicon nanocrystal memories is the formation of nanocrystals near the SiO2-Si interface, since both, the size distribution and the depth profile of the area density of nanocrystals must be controlled. This work has focussed on the formation of gate oxide stacks with embedded nanocrystals using a very flexible approach: the thermal annealing of SiO2/SiOx (x < 2) stacks. A sputter deposition method allowing to deposit SiO2 and SiOx films of arbitrary composition has been developed and optimized. The formation of Si NC during thermal annealing of SiOX has been investigated experimentally as a function of SiOx composition and annealing regime using techniques such as photoluminescence, infrared absorption, spectral ellipsometry, and electron microscopy. To proof the concept, silicon nanocrystal memory capacitors have been prepared and characterized. The functionality of silicon nanocrystal memory devices based on sputtered gate oxide stacks has been successfully demonstrated.

In Silizium-Nanokristall-Speichern werden im Gate-Oxid eines Feldeffekttransistors eingebettete Silizium Nanokristalle genutzt, um Elektronen lokal zu speichern. Die gespeicherte Ladung bestimmt dann den Zustand der Speicherzelle. Ein wichtiger Aspekt in der Technologie dieser Speicher ist die Erzeugung der Nanokristalle mit einerwohldefinierten Größenverteilung und einem bestimmten Konzentrationsprofil im Gate-Oxid. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein sehr flexibler Ansatz untersucht: die thermische Ausheilung von SiO2/SiOx (x < 2) Stapelschichten. Es wurde ein Sputterverfahren entwickelt, das die Abscheidung von SiO2 und SiOx Schichten beliebiger Zusammensetzung erlaubt. Die Bildung der Nanokristalle wurde in Abhängigkeit vom Ausheilregime und der SiOx Zusammensetzung charakterisiert, wobei unter anderem Methoden wie Photolumineszenz, Infrarot-Absorption, spektroskopische Ellipsometrie und Elektronenmikroskopie eingesetzt wurden. Anhand von MOS-Kondensatoren wurden die elektrischen Eigenschaften derart hergestellter Speicherzellen untersucht. Die Funktionalität der durch Sputterverfahren hergestellten Nanokristall-Speicher wurde erfolgreich nachgewiesen. / In silicon nanocrystal memories, electronic charge is discretely stored in isolated silicon nanocrystals embedded in the gate oxide of a field effect transistor. The stored charge determines the state of the memory cell. One important aspect in the technology of silicon nanocrystal memories is the formation of nanocrystals near the SiO2-Si interface, since both, the size distribution and the depth profile of the area density of nanocrystals must be controlled. This work has focussed on the formation of gate oxide stacks with embedded nanocrystals using a very flexible approach: the thermal annealing of SiO2/SiOx (x < 2) stacks. A sputter deposition method allowing to deposit SiO2 and SiOx films of arbitrary composition has been developed and optimized. The formation of Si NC during thermal annealing of SiOX has been investigated experimentally as a function of SiOx composition and annealing regime using techniques such as photoluminescence, infrared absorption, spectral ellipsometry, and electron microscopy. To proof the concept, silicon nanocrystal memory capacitors have been prepared and characterized. The functionality of silicon nanocrystal memory devices based on sputtered gate oxide stacks has been successfully demonstrated.

Objective of the present work is a broad investigation of the so called "target poisoning" during magnetron deposition of TiN in an Ar/N2 atmosphere. Investigations include realtime in-situ ion beam analysis of nitrogen incorporation at the Ti sputter target during the deposition process and the analysis of particle uxes towards and from the target by means of energy resolved mass spectrometry. For experiments a planar, circular DC magnetron, equipped with a 2 inch titanium target was installed in an ultrahigh vacuum chamber which was attached to the beam line system of a 5 MV tandem accelerator. A manipulator allows to move the magnetron vertically and thereby the lateral investigation of the target surface. During magnetron operation the inert and reactive gas flow were adjusted using mass flow controllers resulting in an operating pressure of about 0.3 Pa. The argon flow was fixed, whereas the nitrogen flow was varied to realize different states of target poisoning. In a fi?rst step the mass spectrometer was used to verify and measure basic plasma properties e.g. the residual gas composition, the behavior of reactive gas partial pressure, the plasma potential and the dissociation degree of reactive gas molecules. Based on the non-uniform appearance of the magnetron discharge further measurements were performed in order to discuss the role of varying particle fluxes across the target during the poisoning process. Energy and yield of sputtered particles were analyzed laterally resolved, which allows to describe the surface composition of the target. The energy resolving mass spectrometer was placed at substrate position and the target surface was scanned by changing the magnetron position correspondingly. It was found, that the obtained energy distributions (EDF) of sputtered particles are influenced by their origin, showing signi?ficant differences between the center and the erosion zone of the target. These results are interpreted in terms of laterally different states of target poisoning, which results in a variation of the surface binding energy. Consequently the observed energy shift of the EDF indicates the metallic or already poisoned fraction on target surface. Furthermore the EDF's obtained in reactive sputtering mode are broadened. Thus a superposition of two components, which correspond to the metallic and compound fractions of the surface, is assumed. The conclusion of this treatment is an discrete variation of surface binding energy during the transition from metallic to compound target composition. The reactive gas target coverage as derived from the sputtered energy distributions is in reasonable agreement with predictions from model calculations. The target uptake of nitrogen was determined by means of ion beam analysis using the 14N(d, )12C nuclear reaction. Measurements at varying nitrogen gas flow directly demonstrate the poisoning eff?ect. The reactive gas uptake saturates at a maximum nitrogen areal density of about 1.1016 cm-2 which corresponds to the stoichiometric limit of a 3 nm TiN layer. At sufficiently low reactive gas flow a scan across the target surface discloses a pronounced lateral variation of target poisoning, with a lower areal density in the target race track compared to the target center and edge. Again the findings are reproduced by model calculations, which confirm that the balance of reactive gas injection and sputter erosion is shifted towards erosion in the race track. Accomplished computer simulations of the reactive sputtering process are similar to Berg's well known model. Though based on experimental findings the algorithm was extended to an analytical two layer model which includes the adsorption of reactive gas as well as its different kinds of implantation. A distribution of ion current density across the target diameter is introduced, which allows a more detailed characterization of the processes at the surface. Experimental results and computer simulation have shown that at sufficiently low reactive gas flow, metallic and compound fractions may exist together on the target surface, which is in contradiction to previous simulations, where a homogeneous reactive gas coverage is assumed. Based on the results the dominant mechanisms of nitrogen incorporation at different target locations and at varying reactive gas admixture were identified. / Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Targetvergiftung beim reaktiven Magnetronsputtern von TiN in Argon-Sticksoff Atmosphäre. Die Untersuchungen beinhalten die Echtzeit in-situ Ionenstrahlanalyse des Stickstoffeinbaus in das Titantarget während des Depositionsprozesses sowie die Analyse der Teilchenflüsse vom – und hin zum Sputtertarget mittels energieaufgelöster Massenspektrometrie. Das Magnetron wurde in einer Vakuumkammer installiert, welche an die Beamline des 5 MV Tandembeschleunigers angeschlossen war. Die Position des Magnetrons konnte mittels eines Manipulator verändert werden, was die laterale Untersuchung der Targetoberfläche ermöglichte. Während des Magnetronbetriebes wurde der Argonfluss in die Kammer konstant gehalten, während der Stickstofffluss variiert wurde um verschiedene Ausprägungen der Targetvergiftung zu erreichen. In einem ersten Schritt wurden die Eigenschaften des Plasmas, z.B. die Zusammensetzung des Sputtergases, das Verhalten des Reaktivgaspartialdruckes, das Plasmapotenzial und der Dissoziationsgrad der Reaktivgasmoleküle im Plasma, mit dem Massenspektrometer ermittelt. Aufgrund der ungleichmäßigen Gasentladung vor dem Magnetrontarget, wurden auch lateral variierende Teilchenflüssen und eine ungleichmäßige Targetvergiftung angenommen. Die Energie und die Ausbeute von gesputterten Teilchen wurde deshalb lateral aufgelöst untersucht. Das Massenspektrometer wurde zu diesem Zweck am Ort des Substrates positioniert und die Targetoberfläche konnte gescannt werden indem die Magnetronposition verändert wurde. Die so aufgenommenen Energieverteilungen der gesputterten Teilchen zeigen eine räumliche Abhängigkeit. Teilchen die aus dem Targetzentrum stammen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Energie signifikant von den Teilchen die in der Target-Erosionszone gesputtert werden. Dieses Resultat zeigt die ungleichmäßige Targetvergiftung, wodurch es zu einer Veränderung der Oberflächenbindungsenergie kommt. Über die Verschiebung in der Energieverteilung lässt sich somit der Zustand der Targetoberfläche beschreiben. Diese experimentellen Ergebnisse zeigen Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Modellrechnungen. Der Stickstoffgehalt des Targets wurde weiterhin mittels Ionenstrahlanalyse (NRA) bestimmt. Messungen bei verschiedenen Stickstoffflüssen demonstrieren direkt die Vergiftung des Targets. Die maximale Stickstoffkonzentration sättigt bei einem Wert, der dem Stickstoffgehalt in einer ca. 3 nm dicken Titannitridschicht entspricht. Bei ausreichend niedrigem Stickstofffluss zeigt die Messung quer über den Targetdurchmesser eine Variation im Stickstoffgehalt. Die Stickstoffkonzentration in der Erosionszone ist deutlich geringer als im Targetzentrum oder am Targetrand. Die Resultate wurden wiederum durch Modellrechnungen bestätigt. Die durchgeführten Computersimulationen basieren auf Sören Bergs Modell des reaktiven Sputterprozesses. Der Algorithmus wurde jedoch auf der Basis der experimentellen Ergebnisse erweitert. Das Modell beinhaltet nun Mechanismen des Reaktivgaseinbaus in das Target, wie Adsorption, Implantation und Recoilimplantation. Des Weiteren wurde die Ionenstromverteilung als Funktion des Targetdurchmessers in das Modell aufgenommen, was eine detailliertere Beschreibung des Prozesses ermöglicht. Die experimentellen Ergebnisse und die Resultate der Computersimulation zeigen, dass bei niedrigen Reaktivgasflüssen metallische und vergiftete Bereiche auf der Targetoberfläche gemeinsam existieren. Das ist im Widerspruch zu älteren Simulationen, in denen von einer homogenen Targetbedeckung durch das Reaktivgas ausgegangen wird. Basierend auf den Ergebnissen wurden die dominierenden Mechanismen des Reaktivgaseinbaus in das Sputtertarget, in Abhängigkeit von der Position und von der Sputtergaszusammensetzung, identifiziert.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem RF- überlagerten DC-Sputtern von Indiumzinnoxid und aluminiumdotierten Zinkoxid. Bei dem dafür entwickelten synchron gepulsten RF/DC-Verfahren werden die zu untersuchenden Materialien gleichzeitig mit Hilfe eines RF- und eines PulsDC-Generators gesputtert. Ein wesentliches Resultat der Untersuchungen ist, dass durch RF- überlagertes DCSputtern Schichten abgeschieden werden können, die im Vergleich zum DC- bzw. PulsDC-Sputtern geringere spezifische Widerstände aufweisen. Dies ist auf eine Verringerung von Defekten in den abgeschiedenen Schichten zurückzuführen. Es konnte anhand der Untersuchungen gezeigt werden, dass fur die Abscheidung von Indiumzinnoxid und aluminiumdotiertem Zinkoxid die Substrattemperatur beim RF überlagerten DC-Sputtern gegenüber dem DC-Sputtern um bis zu 100°C verringert werden kann.

Im Fokus der vorliegenden Arbeit lag die Untersuchung polykristalliner TiO2:Ta-Schichten, hergestellt mittels Gleichstrom-Magnetron-Sputtern durch Verwendung reduzierter keramischer Targets und anschließender thermischer Nachbehandlung im Vakuum der zunächst nichtleitfähigen amorphen Precursorschichten. Es wurden die physikalischen Zusammenhänge, welche die strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften der kristallinen TiO2:Ta-Schichten beeinflussen analysiert und dabei eine empfindliche Abhängigkeit vom Sauerstofffluss während der Abscheidung festgestellt. Es zeigte sich, dass die Verringerung der kinetischen Energie der Plasmateilchen beim Magnetron-Sputtern durch die Erhöhung des Gesamtdruckes vorteilhaft ist, um das Wachstum des gegenüber Rutil besser leitfähigen Anatas in Verbindung mit dem für niedrige Widerstände notwendigen Sauerstoffdefizit zu realisieren. Bei einem Gesamtdruck von 2 Pa abgeschiedene polykristalline TiO2:Ta-Schichten haben einen spezifischen Widerstand von 1,5·10-3 Ωcm, eine hohe Ladungsträgermobilität (≈8 cm2V-1s-1) und einen geringen Extinktionskoeffizienten von 0,006. Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes vom Sauerstoffdefizit in der TiO2:Ta-Schicht wurde unter dem Gesichtspunkt der Ladungsträgeraktivierung sowie der Bildung von Ti-Fehlstellen diskutiert, welche vermutlich zur Kompensation und Lokalisierung von freien Elektronen beitragen. Darüber hinaus wurde zur effizienteren Gestaltung der thermischen Nachbehandlung die konventionelle Vakuumtemperung erstmalig erfolgreich durch die Blitzlampentemperung ersetzt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Elektrische Leitfähigkeit 2.2 Dielektrische Funktion und optische Eigenschaften 2.3 Transparente leitfähige Oxide 2.3.1 Elektrische Eigenschaften 2.3.2 Optische Eigenschaften 2.4 Titandioxid 2.4.1 Eigenschaften und Herstellung 2.4.2 Transparentes leitfähiges Anatas 3 Experimentelle Methoden 3.1 Grundlagen der Schichtabscheidung mittels Magnetron-Sputtern 3.1.1 Wechselwirkungsprozesse im Magnetronplasma 3.1.2 Kinetik der Teilchen im Plasma 3.1.3 Schichtbildung 3.1.4 Teilreaktive Abscheidung von TiO2 3.2 Versuchsaufbau und Durchführung 3.2.1 Magnetronsputteranlage 3.2.2 Durchführung der Beschichtung 3.3 Thermische Nachbehandlung 3.3.1 Ultra-Kurzzeittemperung kleiner 20 ms mittels Blitzlampen 4 Charakterisierungsmethoden 4.1 Schichtzusammensetzung und -struktur 4.1.1 Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie 4.1.2 Röntgenbeugung 4.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 4.1.4 Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie 4.1.5 Positronen-Annihilations-Spektroskopie 4.2 Elektrische Eigenschaften 4.2.1 Hall-Messung 4.2.2 4-Spitzen-Methode 4.3 Optische Eigenschaften 4.3.1 Spektrale Photometrie 4.3.2 Spektrale Ellipsometrie 4.3.3 Modellanalyse 5 Ergebnisse/Diskussion 5.1 Synthese von Sauerstoff-verarmtem Anatas 5.1.1 Abscheidung des amorphen Precursormaterials 5.1.2 Thermisch induzierte Kristallisation mittels Ofentemperung 5.1.3 Diskussion 5.1.4 Schlussfolgerungen 5.2 Elektrische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.2.1 Ladungsträgeraktivierung und elektrischer Transport 5.2.2 Einschub zur Morphologie der Anatasschichten 5.2.3 Diskussion 5.2.4 Schlussfolgerungen 5.3 Optische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.3.1 Einfluss des Temperprozesses 5.3.2 Bestimmung der dielektrischen Funktion und optischer Materialeigenschaften mittels Modellanalyse 5.3.3 Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Ladungsträgerdichte 5.3.4 Diskussion 5.3.5 Schlussfolgerungen 5.4 Ultra-Kurzzeit-Kristallisation mittels Blitzlampen 5.4.1 Korrelation zwischen Abscheidungs - und FLA-Prozess 5.4.2 Einschub zur Kristallisationskinetik 5.4.3 Morphologie 5.4.4 Optoelektronische Eigenschaften 5.4.5 Diskussion 5.4.6 Schlussfolgerungen 6 Zusammenfassung & Ausblick / The work is focused on understanding the physical processes responsible for the modification of the structural, electrical and optical properties of polycrystalline TiO2:Ta films formed by vacuum annealing of initially not conductive amorphous films deposited by direct current magnetron sputtering. It is shown that the oxygen deficiency of amorphous and annealed TiO2:Ta films, respectively, is critical to achieve low resistivity and high optical transmittance of the crystalline films. Increasing the total pressure during magnetron sputter deposition is shown to be beneficial to achieve the desired oxygen deficient anatase growth, which is discussed in terms of energetic particle bombardment. Polycrystalline anatase TiO2:Ta films of low electrical resistivity (1,5·10-3 Ωcm), high free electron mobility (≈8 cm2V-1s-1), and low extinction (0,006) are obtained in this way at a total pressure of 2 Pa. The dependence of the polycrystalline film electrical properties on the oxygen content is discussed in terms of Ta dopant electrical activation as well as transport limiting processes taking into account the formation of Ti-vacancies. In addition, the conventional vacuum annealing has been successfully substituted by the flash lamp annealing in the millisecond range.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Elektrische Leitfähigkeit 2.2 Dielektrische Funktion und optische Eigenschaften 2.3 Transparente leitfähige Oxide 2.3.1 Elektrische Eigenschaften 2.3.2 Optische Eigenschaften 2.4 Titandioxid 2.4.1 Eigenschaften und Herstellung 2.4.2 Transparentes leitfähiges Anatas 3 Experimentelle Methoden 3.1 Grundlagen der Schichtabscheidung mittels Magnetron-Sputtern 3.1.1 Wechselwirkungsprozesse im Magnetronplasma 3.1.2 Kinetik der Teilchen im Plasma 3.1.3 Schichtbildung 3.1.4 Teilreaktive Abscheidung von TiO2 3.2 Versuchsaufbau und Durchführung 3.2.1 Magnetronsputteranlage 3.2.2 Durchführung der Beschichtung 3.3 Thermische Nachbehandlung 3.3.1 Ultra-Kurzzeittemperung kleiner 20 ms mittels Blitzlampen 4 Charakterisierungsmethoden 4.1 Schichtzusammensetzung und -struktur 4.1.1 Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie 4.1.2 Röntgenbeugung 4.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 4.1.4 Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie 4.1.5 Positronen-Annihilations-Spektroskopie 4.2 Elektrische Eigenschaften 4.2.1 Hall-Messung 4.2.2 4-Spitzen-Methode 4.3 Optische Eigenschaften 4.3.1 Spektrale Photometrie 4.3.2 Spektrale Ellipsometrie 4.3.3 Modellanalyse 5 Ergebnisse/Diskussion 5.1 Synthese von Sauerstoff-verarmtem Anatas 5.1.1 Abscheidung des amorphen Precursormaterials 5.1.2 Thermisch induzierte Kristallisation mittels Ofentemperung 5.1.3 Diskussion 5.1.4 Schlussfolgerungen 5.2 Elektrische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.2.1 Ladungsträgeraktivierung und elektrischer Transport 5.2.2 Einschub zur Morphologie der Anatasschichten 5.2.3 Diskussion 5.2.4 Schlussfolgerungen 5.3 Optische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.3.1 Einfluss des Temperprozesses 5.3.2 Bestimmung der dielektrischen Funktion und optischer Materialeigenschaften mittels Modellanalyse 5.3.3 Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Ladungsträgerdichte 5.3.4 Diskussion 5.3.5 Schlussfolgerungen 5.4 Ultra-Kurzzeit-Kristallisation mittels Blitzlampen 5.4.1 Korrelation zwischen Abscheidungs - und FLA-Prozess 5.4.2 Einschub zur Kristallisationskinetik 5.4.3 Morphologie 5.4.4 Optoelektronische Eigenschaften 5.4.5 Diskussion 5.4.6 Schlussfolgerungen 6 Zusammenfassung & Ausblick

Diese Dissertation befasst sich mit den Plasmaeigenschaften und dem Schichtbildungsprozess bei der Titanoxidbeschichtung mit dem reaktiven Puls-Magnetron-Sputterverfahren. Insbesondere werden die Vorgänge, die zu einer vermehrt oder vermindert starken Kristallinität und photokatalytischen Aktivität der Schichten führen, untersucht und die Verflechtungen mit den Beschichtungsbedingungen analysiert. Es werden Untersuchungen zur Messung der sich während der Beschichtung einstellenden Substrattemperatur, zur Messung des auf das Substrat einfallenden integralen Ionenstroms sowie zur Energieverteilung positiver und negativer Ionen vorgestellt. Zu den wichtigsten Erkenntnissen dieser Untersuchungen zählt, dass bei Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus bei Rechteck-Magnetrons eine um etwa Faktor zwei stärkere Substraterwärmung auftritt als bei Nutzung des Unipolar-Pulsmodus. Das ist auf einen höheren Ionenstrom auf das Substrat bei gleichzeitig höherer Selbstbiasspannung zurückzuführen, was insgesamt zu einem deutlich intensiveren Bombardement des Substrats mit Ionen führt. Durch Vergleich mit den Eigenschaften von DC-Plasmen konnte gezeigt werden, dass die unterschiedliche Lage der Anode relativ zum Magnetron-Magnetfeld die primäre Ursache für die gefundenen Unterschiede ist. Der Titanoxid-Beschichtungsprozess wurde umfassend untersucht und dabei die Abhängigkeiten der Kristallinität und der Schichteigenschaften von Substrattemperatur, Beschichtungsrate und von dem während der Beschichtung auftretenden Ionenbombardement aufgezeigt. Eine wichtiges Resultat ist, dass durch Anwendung eines intensiven Ionenbombardements des Beschichtungsplasmas die für kristallines Schichtwachstum erforderliche Substrattemperatur sinkt. Das wird durch Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus anstatt des Unipolar-Pulsmodus sowie durch Wahl eines reaktiveren Arbeitspunkts erreicht. Insgesamt konnte anhand der Untersuchungen der Parameterbereich, in dem die Abscheidung polykristalliner Titanoxidschichten möglich ist, in Richtung niedriger Substrattemperaturen und dünner Schichten ermittelt werden. / In this dissertation, the plasma characteristics and the layer forming process during the titanium oxide deposition with the reactive pulse magnetron sputtering method are investigated. In particular, the procedures which lead to a higher or lower crystallinity and photocatalytic activity are examined and the connections with the coating conditions are analyzed. Investigations are presented concerning the maximum substrate temperature during deposition, the integral ion current onto the substrate as well as the ion energy distribution function of positive and negative ions. One of the most important findings is that when using rectangular magnetrons in the pulse packet mode or in the bipolar pulse about to factor two stronger substrate heating arises in comparison to the unipolar pulse mode. That is due to a higher ion current onto the substrate and a higher self bias potential which leads altogether to a significantly higher ion bombardment of the substrate. It could be shown by comparison with the characteristics of DC plasmas that the different configuration of the anode relative to the magnetic field of the magnetrons is the primary cause for the differences. The titanium oxide coating process was comprehensively examined. Layer crystallinity and layer properties could be related to substrate temperature, deposition rate and ion bombardment during deposition. An important result is that by application of an intensive ion bombardment the substrate temperature necessary for crystalline layer growth decreases. This can be achieved by using the pulse packet or the bipolar pulse mode instead of the unipolar pulse mode as well as by choice of a more reactive working point. All in all, the parameter range in which is it possible to deposit polycrystalline titanium oxide layers could be determined toward low substrate temperatures and small layer thickness.

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.

Im Bereich opto-elektronischer Sensortechnik ist ein eindeutiger Trend hin zu immer kleineren Bauelementen und immer spezifischeren Messanwendungen zu erkennen. Plasmonische Materialien auf der Basis von Nanostrukturen bieten sich hierbei hervorragend für dieses Aufgabenfeld an. Deren optische Absorbanzpeaks lassen sich über die geometrischen Parameter der Nanostrukturen einfach und präzise steuern und reagieren äußerst empfindlich auf Brechungsindexänderungen im Umgebungsmedium. Die Herstellung von aufrecht stehenden, teppichartig angeordneten Nanorods auf Basis von anodisierten Aluminiumoxidmatrizen bietet als skalierbares Bottom-up-Verfahren eine einzigartige Kombination aus Prozessgeschwindigkeit, Steuerbarkeit und Kosteneffizienz. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, wie sich verschiedene Sputterparameter während der Herstellung von Aluminiumdünnschichten auf deren Anodisierungseigenschaften, sowie die anschließende Porenbefüllung und die plasmonischen Eigenschaften des so erzeugten Materials auswirken. Hierzu wurde reines Aluminium bei verschiedenen Sputterleistungen und -raten abgeschieden und hinsichtlich seiner Oberflächenkonfiguration und Prozessierbarkeit im bereits etablierten Nanorodproduktionsverfahren untersucht. Gleichwohl fanden Versuche statt, Aluminiumschichten mit einer schwachen Siliziumlegierung sowie durch reaktives Sputtern mit Sauerstoff voroxidiertes Aluminium zu anodisieren und für die Nanorodherstellung zu nutzen. Als typisches Ergebnis dieser Versuche zeigt sich eine deutliche Verbesserung des Anodisierungs- und Abscheideverhaltens, wenn die Sputterparameter so gewählt werden, dass eine möglichst feinkristalline Schicht abgeschieden wird. Während die Variation der Sputterleistung nur in einer mäßigen Verbesserung und die Siliziumlegierung sogar in einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften resultieren, zeigt sich die Sauerstoffzugabe als äußerst vorteilhaft für den Herstellungsprozess sowie die plasmonischen Eigenschaften der fertigen Strukturen. Hierbei weisen Aluminiumschichten mit einem Sauerstoffanteil von 10 22 at.% die gleichmäßigste Anodisierung sowie die schmalsten Plasmonenresonanzpeaks auf, bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit. Für derartige Proben konnte eine annähernd vollständige Porenbefüllung erreicht werden. Weiterhin ist die Breite der Plasmonenresonanz hier vergleichbar mit der eines simulierten, defektfreien Nanorodarrays mit perfekt hexagonaler Nanorodanordnung, sodass von einer deutlichen Optimierung gesprochen werden kann, welche nun weitere Untersuchungen an diesem System oder sogar eine großtechnische Produktion ermöglicht Letztendlich offenbart eine quantitative Analyse der Strom-Zeit-Kurve der Anodisierung, dass diese in Form und Ausprägung mit der Güte der plasmonischen Eigenschaften der so produzierten Strukturen korreliert. Somit bietet sich diese als schnelles und günstiges Verfahren zur Qualitätskontrolle in einem sehr frühen Prozessstadium an. / Optical sensing witnesses an increasing trend towards smaller components and more specific applications. Nanostructure-based materials excellently fulfil these kinds of task. Their optical absorbance peaks are easily and precisely controllable by changing the structures‘ geometrical parameters, and have shown to be highly sensitive to refractive index changes of the surrounding medium. The fabrication of free-standing arrays of metallic nanorods based on anodised aluminium oxide matrices as a scalable bottom-up process offers a unique combination of throughput in production, process control and cost efficiency. The scope of the present dissertation thesis is the exploration of different sputtering parameters and techniques for the fabrication of aluminium thin-films, their influence on the anodisation properties as well as subsequent pore filling, and of course the optical properties of the final plasmonic structure. For this, pure aluminium was deposited at different sputtering powers and rates, and was investigated regarding its surface configuration as well as its usability within the well-established nanorod fabrication process. Similarly, attempts were made to anodise aluminium alloyed with small quantities of silicon as well as substoichiometric aluminium oxide, which was prepared by reactive sputtering under partial oxygen pressure. As a typical result of these studies, it was found that a considerable improvement of anodisation and electroplating behaviour could be achieved, provided the sputtering conditions were chosen such that the deposited films\' crystal size becomes as small as possible. While the variation of the sputtering power lead only to a marginal improvement and the silicon admixture even deteriorated the sample quality, the use of partially oxidised aluminium layers proved to be highly advantageous for the fabrication process as well as the plasmonic properties of the final structures. The optimal oxygen content was found to be 10 22 at.%, with these samples showing the most regular anodisation behaviour, the smallest absorbance peak width, and at the same time a high reproducibility. Furthermore, the peak width of these samples is comparable to that of simulated, defect-free nanorod arrays in a perfect hexagonal arrangement. These fabrication parameters can therefore be viewed as highly optimised and well-suited for further investigations of this material or even a large-scale production process. Finally, a quantitative analysis of the current-time-curve of an anodisation process reveals a correlation between its characteristics and the samples’ plasmonic qualities. Hence, the analysis of this curve may be used as a fast and cheap method of quality control at the early stages of the fabrication process.