Nichtthermische Abscheidung von Schichten und Strukturen

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Ionenstrahlunterstütztes Dünnschichtwachstum mit hyperthermischen Ionen

Abb. 1: Ansicht des ausströmenden Stickstoff-Plasmastrahls aus einer Plasmastrahlquelle mit eingeschnürter Glimmentladung.
Abb. 2: Austrittsionenoptik eines Quadrupolsystems für energie- und massenselektive ionenstrahlunterstützte Abscheidung (EMS-IBAD).
Abb. 3: Stabilitätsbereiche des Quadrupolsystems für die verschiedenen Ionenspezies in einem hyperthermischen Stickstoffionenstrahl; der Ionenstrom wurde am Ort der Probe gemessen.

Viele physikalische Vakuumschichtabscheideverfahren zur Deposition dünner und ultradünner Funktionsschichten oder Nanostrukturen zeichnen sich dadurch aus, dass dort eine intrinsische oder auch eine gezielte externe Bestrahlung mit niederenergetischen Teilchen erfolgt (Abb. 1), die zum Schichtwachstum direkt als eingebaute, also schichtbildende Teilchen beitragen oder indirekt, indem sie durch Energie- und Impulsübertrag in Teilchenstößen die mikroskopischen Wachstumsprozesse an der Oberfläche der Schicht nachhaltig beeinflussen. Dies beeinflusst letztlich auch die erhaltenen Schichteigenschaften. Energetische Teilchen mit kinetischen Energien von einigen 1 eV bis zu wenigen 100 eV - der sogenannte Bereich hyperthermischer Energien - sind hierbei von besonderem Interesse, denn in diesem Energiebereich ist die Generierung von teilchenstoßinduzierten Punktdefekten im oberflächennahen Bereich der Schicht noch nicht so stark ausgeprägt und sie lässt sich durch die Wahl kleiner Teilchenenergien im Bereich der Verlagerungsenergie (einige 10 eV) minimieren. Da diese Prozesse fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht angesiedelt sind, kann dies beispielsweise zu einer Verringerung der benötigten Substrattemperatur bei gleicher hoher Qualität der darauf abgeschiedenen Funktionsschicht führen.

Mittels Ionenstrahlunterstützter Abscheidung (IBAD) bzw. Ionenstrahlunterstützter Molekularstrahlepitaxie (IBA-MBE), einem Hybrid aus herkömmlicher physikalischer Dünnschicht- und Ionenstrahltechnik, können dünne Schichten mit optimierten Eigenschaften synthetisiert werden. Charakteristisch für dieses Verfahren ist, dass die herzustellende dünne Schicht während des Abscheideprozesses im Vakuum simultan mit einem energetischen Ionenstrahl bestrahlt wird. Dadurch erfolgt ein Eintrag zusätzlicher Energie bzw. Impulses in die Oberfläche der wachsenden Schicht, wodurch Oberflächendiffusionsprozesse gezielt beeinflusst werden können, um Kristallinität und Mikrostruktur der erzeugten Schicht zu optimieren. Vorteile des Verfahrens sind die sehr gute Kontrollierbarkeit des Prozesses aufgrund voneinander separierter Materialstrahlen, das weite Parameterfeld, sowie die Möglichkeit, amorphe, polykristalline und nahezu einkristalline Schichten zu erzeugen. (LINK) Das hauptsächliche Anwendungsgebiet des Verfahrens am IOM stellt die Synthese nitridischer Dünnfilme wie z.B. GaN, TiN oder GdN dar.

Eine Verfeinerung des Verfahrens durch Erhöhung der Freiheitsgrade bei der ionenstrahlunterstützen Abscheidung am IOM ist die energie- uns massenselektierte ionenstrahlunterstützte Abscheidung (EMS-IBAD). Hierbei wird mittels eines selbstentworfenen, maßgeschneiderten Quadrupolsystems zwischen Ionenquelle und Probe eine Auswählbarkeit der verwendeten Stickstoffionenspezies (atomare Stickstoffionen N+ oder molekulare Stickstoffionen N2+) ermöglicht (Abb. 2 und 3). Dieser unikale Aufbau für Grundlagenexperimente zu ionenstrahlunterstützten Abscheideprozessen soll dabei helfen, den Einfluss der jeweiligen Ionenspezies auf das Schichtwachstum (bzw. auf den Schichtabtrag bei höheren kinetischen Energien) detaillierter als bisher möglich zu erforschen und für die Optimierung bzw. Kontrollierbarkeit von Schichteigenschaften nutzbar zu machen.

Abscheideverfahrensvarianten

  • Ionenstrahlunterstützte Abscheidung (IBAD) polykristalliner Schichten
  • Ionenstrahlunterstützte Molekularstrahlepitaxie (IBA-MBE)
  • Energie- und massenselektierte ionenstrahlunterstützte Abscheidung (EMS-IBAD)

Ausgewählte Publikationen

  • M. Mensing, P. Schumacher, J.W. Gerlach, S. Herath, A. Lotnyk, B. Rauschenbach
    Influence of nitrogen ion species on mass-selected low energy ion-assisted growth of epitaxial GaN thin films
    Appl. Surf. Sci. 498 (2019) 143830
    https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143830

  • B. Rauschenbach, A. Lotnyk, L. Neumann, D. Poppitz, J.W. Gerlach
    Ion beam assisted deposition of thin epitaxial GaN films
    Materials 10 (2017) 690-702
    https://doi.org/10.3390/ma10070690

  • J.W. Gerlach, P. Schumacher, M. Mensing, S. Rauschenbach, I. Cermak, B. Rauschenbach
    Ion mass and energy selective hyperthermal ion-beam assisted deposition setup
    Rev. Sci. Instrum. 88 (2017) 063306
    https://doi.org/10.1063/1.4985547

  • D. Poppitz, A. Lotnyk, J.W. Gerlach, J. Lenzner, M. Grundmann, B. Rauschenbach
    An aberration-corrected STEM study of structural defects in epitaxial GaN thin films grown by ion beam assisted MBE
    Micron 28 (2015) 1-8
    doi.org/10.1016/j.micron.2015.03.006

  • A. Finzel, J.W. Gerlach, J. Lorbeer, F. Frost, B. Rauschenbach
    High-fluence hyperthermal ion irradiation of gallium nitride surfaces at elevated temperatures
    Appl. Surf. Sci. 317 (2014) 811-817
    doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.09.006