Bei der Deposition von ZnO-Schichten sowie bei der De- position von Schichten überhaupt spielen die Prozesspara- meter eine entscheidende Rolle. Sie bestimmen im Wesent- lichen die physikalischen Schichteigenschaften. Deshalb war das Ziel der Arbeiten, das Plasma in den Sputteran- lagen bei der Deposition von Zinkoxidschichten zu analy- sieren.
Die untersuchte Anlage war eine Durchlauf-Sputteranlage vom Typ Z600D mit einem DC-Magnetron, das mit einem keramischen Target ZnO:Al2O3(2 Gew. %) bestückt war.
Die Leistungsdichte betrug 1 - 10 W/cm2. Als Prozessgas wurde Argon mit einem O2.-Anteil von 0 - 1 Vol % verwen- det bei einem Arbeitsdruck von 0.25 - 1.4 Pa. In Substrat- ebene war eine Thermosonde sowie 20 mm darüber eine Langmuirsonde angeordnet.
R. Wiese
wiese@inp-greifswald.de
H. Kersten M. Hannemann M. Hähnel R. Menner Universität Greifswald
Abbildung 1 Konstruktiver Aufbau der Anlage mit Sonden
116
Plasmaanalyse an Sputter- anlagen zur ZnO-Deposition
Kathode
Cu-Rückplatte
Plasmaschirm
Gaskanal DN 40
Substratebene Blende
72 41
Thermosonden
Blenden zur Abschaltung der Energieeinstrahlung Target
Um die fotometrische Analyse vornehmen zu können, be- fand sich in der Targetebene ein Spiegelsystem, das mittels einer CCD-Kamera durch ein Quarzfenster die Beobach- tung der Randschicht am Target erlaubte.
Abbildung 2a Profil der Elektronen- konzentration
Abbildung 2b Profil der der Elektro- nentemperatur und des Plasmapotenzials 30
25 20 15 10 5 0
-40 20 0 20 40 60 80 100 Ort quer zum Target [mm]
Elektronenkonzentration [1014m-3]
0 mm 75 mm 150 mm Ort längs des Targets
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
-40 20 0 20 40 60 80 100 Ue, 0 mm
Ue, 75 mm Ue, 150 mm
Ue, Up längs des Targets
Ue, 0 mm Ue, 75 mm Ue, 150 mm
Elektronentemperatur, Plasmapotenzial [V]
Durch Verschieben der Sonden quer zur Targetachse wurde mit Hilfe der Langmuirsonde das Profil einiger Plasmapa- rameter (Abb. 2) und mit der Thermosonde das Profil des Energieeinstromes in Substratebene gemessen (Abb. 3, Kurve mit Quadraten).
Die Elektronenkonzentration weist in der Nähe der Ätzgrä- ben ein Maximum auf, während das Maximum der Elektro- nentemperatur mehr zum Rand hin verschoben ist. Der Energieeinstrom unterhalb des Targets in Substratebene ist streng symmetrisch und weist zu den Targeträndern hin einen Abfall von ca. 30 % auf. Normiert man den gemesse- nen Energieeinstrom mit dem Schichtdickenprofil einer bei festgehaltenem Substrat hergestellten Schicht, so erhält man annähernd die auf dem Substrat pro deponiertes Teilchen eingebrachte Energie (Abb. 3, Kurve mit Kugeln).
Abbildung 3
Profil der Energiedichte und der Partikelenergie
118
0,028 0,026 0,024 0,022 0,020 0,018 0,016 0,014 0,012 0,010
7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 -60 -40 20 0 20 40 60
Abstand zur Targetachse [mm]
Energiedichte Partikelenergie
Energiestromdichte [J/cm2s] Mittlere Energie der kondensierten Partikel [eV]
Bei Variation von Leistung und Druck ergaben sich die in Abb. 4dargestellten Kurven. Der Energieeinstrom sowie die Elektronenkonzentration wachsen mit der Leistung linear, während die Elektronentemperatur nahezu unabhängig von
Abbildung 4 Temperatur und Konzentration der Elektronen in Target- mitte für zwei Posi- tionen quer zur Targetachse bei Variation von Druck und Leistung 1,8
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
0,25 Pa, 0 mm 0,25 Pa, 24 mm 0,70 Pa, 0 mm 0,70 Pa, 24 mm 1,40 Pa, 0 mm 1,40 Pa, 24 mm
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Leistung [Watt]
Elektronentemperatur [V]
160 140 120 100 80 60 40 20 0
0,25 Pa, 0 mm 0,25 Pa, 24 mm 0,70 Pa, 0 mm 0,70 Pa, 24 mm 1,40 Pa, 0 mm 1,40 Pa, 24 mm
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Leistung [Watt]
Elektronenkonzentration [1014m-3]
der Leistung ist. Mit der CCD-Kamera wurde mit einem vorgeschaltetem durchstimmbaren Flüssig-Kristallfilter Auf- nahmen von der Randschicht in verschiedenen Wellenlän- gen gemacht und diese hinsichtlich ihrer Intensität ausge- wertet.
Auffällig beim Intensitätsverlauf ist die Ausbildung eines zweiten Maximums, während die Abnahme der Rand- schichtdicke mit der Leistung wie erwartet verläuft.
Die vorgestellten Analysen werden an weiteren Anlagen fortgesetzt.
Abbildung 5a Intensitätsverlauf (untere-niedrige, obere-hohe Leistung)
120
photometr. Intensität [a.u.]
250
200
150
100
50
0
0 20 40 60 80 100 120 Abstand [Pixel] von der Kathode
Leistung flex. DZL: 01 M1S3W2
Abbildung 5b Randschichtdicke bei Variation der Leistung
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23
0 500 100 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Leistung [W]
Randschichtbreite [Pixel]
Ar l Ar ll O ll Al ll Zn l Zn ll
