Messungen intrinsischer Spannungen

Für eine Analyse der in den nachfolgenden Abschnitten 3.3 und 3.5 gezeigten Spannungsrela-xationen von amorphen Zr-Al-Ni-Cu-Schichten bei variabler Temperatur ist es notwendig, den anfänglichen Spannungszustand der Schichten unmittelbar nach der Herstellung zu ken-nen. Denn es ist zu erwarten, daß je nach ursprünglicher Verspannung eine unterschiedlich starke Relaxation der mechanischen Spannungen stattfindet. Insbesondere deuten Messungen an massiven Proben darauf hin, daß bei unterschiedlich großem Druck sich die Glasübergang-stemperatur ändert [60], [61]. Aus diesem Grund wurden bei jeder untersuchten Probe zu-nächst die intrinsischen Spannungen gemessen. Die Messungen in Abbildung 3.5 und Abbildung 3.6 zeigen typische Spannungsverläufe während des Wachstums von amorphen Zr52Al8Ni15Cu25- und Zr63Al5Ni14Cu18 -Schichten. Zunächst treten zu Beginn des Wachstums starke Zugspannungen auf, die auch schon in früheren Messungen an durch Elektronenstrahl-verdampfen hergestellten amorphen CuTi-Schichten beobachtet wurden [44], [43]. Diese Zugspannungen sind unabhängig von der Zusammensetzung der Sputterschichten und dem gewählten Argondruck.

Abbildung 3.5: Mechanische Spannungen während des Wachstums amorpher Sputterschich-ten bei Raumtemperatur mit einer Rate von 0,42 nm/s und bei einem Argondruck von p_Ar =7 8 10, ⋅ ⁻³ mbar . Zusätzlich sind die Temperaturänderungen während der Messung und die daraus berechneten thermischen Spannungen multipliziert mit der Schichtdicke aufgetra-gen.

Abbildung 3.6: Intrinsische Spannungen amorpher Zr63Al5Ni14Cu18 – Schichten abhängig vom Sputterdruck: a) p_Ar =7 8 10, ⋅ ⁻³mbar , Q = 0,47 nm/s, b) p_Ar = ⋅5 10⁻²mbar , Q= 0,29nm/s

0 100 200 300 400

-100 -80 -60 -40 -20 0 20

Zr

Al

Ni

Cu

p

= 7,8·10

mbar p

= 5,0·10

mbar

F/ w [N /m ]

D [nm]

-80 -60 -40 -20 0

Zr

Al

Ni

Cu

T [°C]

<σ> th D [N/m]

F /w [N/m]

D [nm]

-10 0 10

0 100 200 300 400 500

30 40 50

Bei dem für die meisten Proben gewählten niedrigen Argondruck von p_Ar =7,8 10⋅ ⁻³mbar wachsen die Zr₅₂Al₈Ni₁₅Cu₂₅- und Zr₆₃Al₅Ni₁₄Cu₁₈-Schichten bis zu großen Schichtdicken von 500 nm unter konstanten momentanen Druckspannungen von –0,18 GPa bzw. –0,19 GPa auf. Diese Resultate ließen sich in einer Serie von unabhängigen Messungen sehr gut repro-duzieren. Sie belegen, daß der Mechanismus für die Bildung von Druckspannungen von der Schichtdicke unabhängig sein muß. In Abbildung 3.5 ist zusätzlich die während des Schicht-wachstums gemessene Substrattemperatur dargestellt. Aufgrund der Strahlungswärme der Sputterquelle und der zusätzlich durch das Schichtwachstum deponierten Energie kommt es zu einer kontinuierlichen leichten Erwärmung der Schicht um etwa 10 K. Aus der zeitlichen Temperaturzunahme wurde das Produkt aus thermischen Druckspannungen und der aktuellen Schichtdicke entsprechend Gleichung 3.1 berechnet und in der Darstellung eingetragen.

Gleichung 3.1

Dabei wurden die Temperaturabhängigkeiten des Biaxialmodul Bf der Schicht und der Aus-dehnungskoeffizienten von Film und Substrat αf und αs aufgrund der kleinen Temperaturän-derungen vernachlässigt. Die thermischen Spannungen werden in Abschnitt 3.3.1 genauer erläutert. Im Vergleich zu den gemessenen integralen Druckspannungen F/w = ⋅' ist der Effekt der thermischen Spannungen

th⋅' so gering, daß auf eine Korrektur durch Diffe-renzbildung verzichtet wird. Nach Schließen der Blende kühlt die Probe ab, wodurch auf-grund der thermischen Spannungen _th⋅' die leichte Abnahme der Kraft pro Einheitsbreite nach abgeschlossenem Schichtwachstum verursacht wird.

Zu beachten ist hier, daß im Experiment die Kraft pro Einheitsbreite abhängig von der Zeit t gemessen wird. Aus der in situ gemessenen Wachstumsrate Q wird die Größe D = Q t⋅ berechnet, die während des Wachstums der realen Schichtdicke entspricht und vor bzw. nach dem Schichtwachstum als eine um den Faktor Q umskalierte Zeitachse verstanden werden muß. Die vor der Messung dargestellte Ordinate gibt die Abstandsänderung der Laserstrahlen an, die in Einheiten der Meßgröße „Kraft pro Einheitsbreite“ umgerechnet wurde. Sie ist da-her ein Maß für die tda-hermische Drift vor der Messung, die im Idealfall konstant gleich Null bleiben sollte. Man erkennt, daß diese Drift immer wesentlich kleiner als die später gemesse-ne integrale Spannung ist, was für die Qualität der Messungen spricht. Nach der Messung ist entsprechend die integrale Schichtspannung ⋅' abhängig von der umskalierten Zeit

dar-σ _th f αf αS

gestellt. Beim Wachstum von amorphen Zr-Al-Ni-Cu-Schichten wird ab einem Gasdruck von

-2

pAr = 5,0 10 mbar⋅ ein Wechsel von Druck- zu Zugspannungen beobachtet, wie in Abbildung 3.6 dargestellt ist. Bei diesem Druck wächst die Schicht ab einer Dicke von 2 nm zunächst unter leichten Zugspannungen und bei größeren Schichtdicken praktisch spannungs-frei auf. Für das Wachstum polykristalliner Sputterschichten ist dieser Effekt schon für ver-schiedene elementare Metallschichten nachgewiesen worden [59]. Diese Schichten wachsen bei niedrigen Argondrücken unter Druckspannungen auf und ab einem bestimmten höheren Argondruck erfolgt ein Übergang zu Zugspannungen. Bei einem Argondruck zwischen

-3

pAr = 7,85 10 mbar⋅ und p_Ar = 1,2 10 mbar⋅ ^-2 ändert sich der Spannungsverlauf nicht, wie in Abbildung 3.7 und Abbildung 3.8 deutlich wird.

Abbildung 3.7: Zeitlicher Verlauf der intrinsischen Spannungen einer amorphen Zr₆₃Al₅Ni₁₄Cu₁₈ – Schicht bei verschiedenen Argondrücken. Das Wachstum wurde zu den Zeitpunkten, die durch nach unten gerichtete Pfeile markiert sind, unterbrochen. Bei ge-schlossener Blende wurde der Argondruck jeweils erhöht und nach ca. 30 Minuten wurde die Blende an den durch die nach oben zeigenden Pfeile wieder geöffnet.

Bei diesem Experiment wird das Schichtwachstum in Schritten von 500 nm unterbrochen, der Argondruck wird jeweils erhöht und es wird gewartet, bis sich ein Sputtergleichgewicht ein-gestellt hat. Aus der Spannungsmessung kann geschlossen werden, daß das Substrat keinen starken Einfluß auf die beobachteten Druckspannungen hat, weil die erste Schicht auf Si(100) und alle nächsten Schichten einer amorphen Zr-Al-Ni-Cu-Schicht aufgewachsen wurden.

Ferner läßt sich feststellen, daß keine starken Spannungsrelaxationen nach dem Schließen der

0 60 120 180 240

Blende erfolgten. Ähnliche Aussagen konnten auch für das schrittweise unterbrochene Wachstum amorpher Zr20Co80 und Cu30Ti70-Schichten getroffen werden [48], [43], [39].

Abbildung 3.8: Vergleich der abhängig vom Argondruck untersuchten mechanischen Span-nungen aus Abbildung 3.7 .Die Schichtdicke wurde in dieser Darstellung jeweils für den Be-ginn des neuen Wachstums nach Öffnen der Blende gleich Null gesetzt.

Man erkennt nach dem Schließen der Blende zwar jeweils einen leichten Anstieg im Verlauf der F/w (t) – Kurven in Abbildung 3.7. Dieser kann einerseits durch ein Abkühlen der Probe erklärt werden. Andererseits muß einschränkend darauf hingewiesen werden, daß für diese Messung noch keine optimale Eichung der Sensoren vorlag. Es wurde lediglich eine Eichung der x-Achse der PSDs unmittelbar vor der Messung durchgeführt. Eine Drift in y-Richtung ist bei der Messung intrinsischer Spannungen bei Raumtemperatur aber recht gering, jedoch könnte aufgrund dieses Eichproblems eine Korrektur der parallelen Drift der beiden Laser-strahlen nicht hinreichend gut funktioniert haben. Außerdem gab es zwischen Messung (a) und (e) einen leichten Anstieg der Aufwachsraten von 3,6 Å/s auf 4,0 Å/s. Daher sollten die leichten unsystematischen Abweichungen der Meßkurven in Abbildung 3.8 nicht verwundern.

Auch die während der Messung erreichte Auflösung war noch nicht so gut wie bei den Mes-sungen in Abbildung 3.5 und Abbildung 3.6.

0 100 200 300 400 500

-100 -80 -60 -40 -20 0

20

9,0·10^-3 mbar 1,0·10^-2 mbar 1,1·10^-2 mbar 1,2·10^-2 mbar

F/w [N/m]

D [nm]

3.2.2 Modelle für Druckspannungen