4 Probenpräparation
Neben dem Verständnis der Messmethoden ist bei den in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen eine Kontrolle der Herstellungsbedingungen der Proben von groÿer Be-deutung. In diesem Kapitel werden daher die Methoden erläutert, welche für die Herstel-lung der in dieser Arbeit verwendeten Schichtsysteme zum Einsatz kommen. Zunächst werden in Abs. 4.1 die in dieser Arbeit verwendeten Methoden der Sputterdeposition er-klärt und der Aufbau der Depositionskammer beschrieben. Anschlieÿend werden in Abs.
4.2 die Herstellung und der Aufbau der in dieser Arbeit verwendeten Proben erläutert.
4 Probenpräparation
ein Argonplasma zünden. Eine am Gitter angelegte Extraktionsspannung beschleunigt die positiv geladenen Ionen aus der Kammer direkt auf das Sputtertarget. Sowohl die Extraktionsspannung als auch das Targetmaterial können bei Bedarf verändert werden.
Der Vorteil der ECR Sputterdeposition besteht in einer hohen Flussdichte der beschleu-nigten Ionen [137] bei vergleichsweise geringem Gasdruck am Ort des Substrats (siehe Abs. 4.1.3). Der geringe Arbeitsdruck während der ECR Sputterdeposition (im Vergleich zu anderen Verfahren der Sputterdeposition, siehe 4.1.2) verringert daher den Restgas-druck.
Wie bereits weiter oben erwähnt ermöglicht die ECR Sputterdeposition eine variable Beschleunigungsspannung. Dadurch können zum Beispiel Ionen mit höherer kinetischer Energie als bei anderen Sputterdepositionsmethoden verwendet werden, was stärker tex-turierte Schichtsysteme zur Folge hat [138]. Gleichzeitig erhöht sich allerdings auch die Interdiusion zwischen aufeinanderfolgenden Schichten.
Am Target reektierte Ar+-Ionen können den Sputterprozess stark beeinussen [139 142]. Da in der verwendeten Kammergeometrie die Ionen unter einem Winkel von 45◦ auf das Target auftreen, werden spiegelnd reektierte Ionen jedoch nicht das Substrat erreichen, sofern sie nicht durch Kollision mit Restgaspartikeln die Richtung ändern. Da die mittlere freie Weglänge der Ionen bei einem Argondruck von pAr = 5 · 10−4mbar (siehe Abs. 4.1.3) bei etwa 12 cm und für pAr = 1,5 · 10−4mbar bei etwa 40 cm liegt [143], ist der Anteil der auf das Substrat gestreuten Ionen gering. Daher sollte dieser Eekt nur eine untergeordnete Rolle spielen.
Eine genauere Beschreibung der ECR Sputterdeposition ndet sich zum Beispiel in [135 137] und den darin enthaltenen Zitationen.
4.1.2 DC Magnetron Sputterdeposition
Die Magnetron Sputterdeposition ist eines der am häugsten in der Forschung eingesetz-ten Sputterdepositionsverfahren. Eine Anordnung von Permanentmagneeingesetz-ten beschleunigt Elektronen vor dem Target auf eine Kreisbahn (siehe Abb. 4.1(b)). Auf dieser Kreisbahn ist die Kollisionswahrscheinlichkeit der Elektronen mit Ar-Atomen des Arbeitsgases so-mit stark erhöht, wodurch die Gasatome ionisiert werden. Die hierdurch freigesetzten Elektronen können weitere Atome ionisieren. Ein einzelnes freies Elektron, dass beispiels-weise durch zufällige Ionisation entsteht, reicht somit zur Initialzündung des Plasmas aus. Durch eine Spannung, die an das Target angelegt wird, werden die Ar+-Ionen auf diese Kathode beschleunigt, wo sie Atome herauslösen. Eine genauere Beschreibung des Magnetron-Plasmazerstäubens ndet sich zum Beispiel in [144, 145].
Einer der Vorteile des Magnetronsputterns gegenüber der ECR Sputterdeposition be-steht in der geringeren Gröÿe und geringeren Anschaungskosten der benötigten Kom-ponenten, wobei letzteres insbesondere für mögliche kommerzielle Anwendungen von Bedeutung ist. Zudem sind die Energien der gesputterten Teilchen geringer als bei der ECR Sputterdeposition [138], wodurch die Interdiusion aufeinanderfolgender Schichten im Vergleich zur ECR Sputterdeposition verringert wird.
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4.1 Sputterdeposition
(a)
(b)
Abbildung 4.1: (a) Skizze der ECR-Kammer. Das Magnetron erzeugt Mikrowellen, die über eine Antenne in die Plasmakammer eingespeist werden. In die Plasmakammer wird Argon eingeleitet (pAr= 5·10−4mbar oder pAr = 1,5 · 10−4mbar). Durch die Mikrowellen wird ein Argonplasma erzeugt dessen Ar+-Ionen mit 1,2 kV auf das Target beschleunigt werden, wo diese Ar+Ionen Platinteilchen aus dem Target herausschlagen.
Wird die Blende zwischen Probe und Target geönet, können die Teilchen auf dem Substrat aufwachsen.
(b) Skizze der Magnetron-Kammer. Mehrere Permanentmagneten hinter dem Materialtarget erzeugen ein Magnetfeld, das Elektronen vor dem Target auf eine Kreisbahn beschleunigt. Durch Stöÿe mit Argonatomen (ArbeitsdruckpAr= 3,4 ·10−3mbar) werden diese ionisiert und weitere Elektronen freigesetzt. Eine an das Target angelegte Spannung beschleunigt die Ar+-Ionen auf das Target, wodurch Material herausgelöst wird.
Dieses Material lagert sich auf dem Substrat ab und führt so zum Filmwachstum.
4.1.3 Präparationkammern
In diesem Abschnitt sollen zunächst die Präparationskammern vorgestellt werden, die zur Herstellung der in dieser Arbeit untersuchten Schichtsysteme verwendet wurden.
Da im Zeitraum, in dem die Proben für diese Arbeit hergestellt wurden, ein Wechsel zu einer neueren Präparationskammer durchgeführt wurde, werden im Folgenden beide Kammern kurz vorgestellt. Im Weiteren wird in diesem Zusammenhang von der alten Präparationskammer und der neuen Präparationskammer gesprochen. In Abb. 4.2 sind Fotos beider Kammern gezeigt.
In der alten Präparationskammer (Abb. 4.2(a)) sind ECR- und Magnetron-Kammer räumlich getrennt. In der ECR-Kammer bendet sich ein Pt-Target, welches sich in einem Abstand von 10 cm von dem Substrat bendet. Als Extraktionsspannung wird 1,2 kV gewählt, wodurch eine Auftragsrate von etwa 0,08 nm/s erreicht wird, welche über die Messung des am Targets ieÿenden Stroms kontrolliert werden kann. Als Ar-Druck während der ECR Sputterdeposition in der alten Präparationskammer wurde pAr
= 1,5 · 10−4mbar gewählt. Da als Arbeitsgas Argon mit einer Qualität von 5.0 verwen-det wurde, wird ein Restgasdruck von etwa 1,5 · 10−9mbar erwartet, was eine leichte Erhöhung gegenüber dem Basisdruck der Kammer von pBasis < 1· 10−9mbar darstellt.
Alle Auftragsraten wurden mit Hilfe von XRR kalibriert (siehe Abs. 5.2.1).
Die Magnetron-Kammer verfügt über 2 Magnetrons mit einem Co- und einem Pt-Target, die jeweils einen Abstand von 10 cm zu dem Substrat haben. Die an der Kathode
ange-4 Probenpräparation
ECR-Kammer
Magnetron-Kammer Co
Pt
(a)
1-Zoll Magnetrons ECR
2-Zoll Magnetrons Pt Pd Cu
Au
Co Fe
(b)
Abbildung 4.2: Darstellung der verwendeten Sputterdepositionskammern. In (a) ist die ältere Sputterde-positionskammer dargestellt, die unter anderem zur Herstellung der in dieser Arbeit verwendeten Pt/Co/Pt-Schichtsysteme verwendet wurde. Die ECR- und Magnetron-Kammer sind örtlich voneinander getrennt und in der Magnetron-Kammer benden sich ein Pt- und ein Co-Target. In (b) ist die neuere Sputterdeposi-tionskammer dargestellt, die unter anderem zur Herstellung der in dieser Arbeit verwendeten Pd/Co/Pd-Schichtsysteme verwendet wurde. In einer einzelnen Kammer bendet sich das ECR mit einem Pt-Target sowie 6 DC-Magnetrons mit unterschiedlichen Targets. Für die ferromagnetischen Elemente (Co,Fe) werden 2-Zoll Targets verwendet, während für die nicht ferromagnetischen Elemente (Pt,Pd,Cu,Au) 1-Zoll Targets benutzt werden.
legte Spannung variiert je nach Material und Targetdurchmesser (2 Zoll Durchmesser für Co und 1 Zoll Durchmesser für Pt) von 250 bis 600 V. Der zur Kathode ieÿende Strom wird konstant bei 30 mA (1-Zoll Targets) beziehungsweise bei 50 mA (2-Zoll Targets) gehalten, kann jedoch bei Bedarf zwischen 10 und 150 mA geregelt werden.
Durch die örtliche Trennung der ECR- und der Magnetron-Kammer ist es erforderlich, die Probe nach Herstellung der ECR-Wachstumsschicht in die Magnetron-Kammer zu transferieren. Da dies eine Önung des Ventils zur Vorkammer erfordert, hat dies eine Erhöhung des Restgasdrucks zur Folge. Dies ist einer der Gründe, warum der Wechsel zu einer neuen Präparationskammer durchgeführt wurde.
Der Hauptunterschied zwischen neuer und alter Präparationskammer ist, dass in der neuen Präparationskammer (Abb. 4.2(b)) ECR- und Magnetron-Kammer nicht vonein-ander getrennt sind. Die für die ECR Herstellung verwendeten Parameter unterscheiden sich mit Ausnahme des Abstands zwischen Target und Substrat und dem verwendeten Ar-Druck (pAr = 5 · 10−4mbar) nicht von denen der alten Kammer. Der reduzierte Ab-stand beträgt 5 cm was zu einer erhöhten Auftragsrate von etwa 0,3 nm/s führt. Der veränderte Ar-Druck ist notwendig um für die veränderte Geometrie eine stabile Auf-tragsrate zu gewährleisten. Zusätzlich erlaubt die Gröÿe der Kammer die Benutzung von weiteren Magnetrons mit weiteren Materialien, zum Beispiel Pt, Pd, Cu, Au, Ir, Fe, Co, und Ni. Verwendet wurden Targets von 2 Zoll Durchmesser für Fe, Co und Ni sowie Targets von 1 Zoll Durchmesser für die restlichen Metalle. Die Herstellungsparameter
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