Ion irradiation as a tool for modifying the surface and optical properties of plasma polymerised thin films

Radio frequency (R.F.) glow discharge polyterpenol thin films were prepared on silicon wafers and irradiated with I10+ ions to fluences of 1 × 1010 and 1 × 1012 ions/cm2. Post-irradiation characterisation of these films indicated the development of well-defined nano-scale ion entry tracks, highlighting prospective applications for ion irradiated polyterpenol thin films in a variety of membrane and nanotube-fabrication functions. Optical characterisation showed the films to be optically transparent within the visible spectrum and revealed an ability to selectively control the thin film refractive index as a function of fluence. This indicates that ion irradiation processing may be employed to produce plasma-polymer waveguides to accommodate a variety of wavelengths. XRR probing of the substrate-thin film interface revealed interfacial roughness values comparable to those obtained for the uncoated substrate's surface (i.e., both on the order of 5 Å), indicating minimal substrate etching during the plasma deposition process.

Density, sp3 content and internal layering of DLC films by X-ray reflectivity and electron energy loss spectroscopy

A variety of hydrogenated and non-hydrogenated amorphous carbon thin films have been characterized by means of grazing-incidence X-ray reflectivity (XRR) to give information about their density, thickness, surface roughness and layering. We used XRR to validate the density of ta-C, ta-C:H and a-C:H films derived from the valence plasmon in electron energy loss spectroscopy measurements, up to 3.26 and 2.39 g/cm3 for ta-C and ta-C:H, respectively. By comparing XRR and electron energy loss spectroscopy (EELS) data, we have been able for the first time to fit a common electron effective mass of m*/me = 0.87 for all amorphous carbons and diamond, validating the `quasi-free' electron approach to density from valence plasmon energy. While hydrogenated films are found to be substantially uniform in density across the film, ta-C films grown by the filtered cathodic vacuum arc (FCVA) show a multilayer structure. However, ta-C films grown with an S-bend filter show a high uniformity and only a slight dependence on the substrate bias of both sp3 and layering.

Preparation of tetrahedral amorphous carbon films by filtered cathodic vacuum arc deposition

Tetrahedrally bonded amorphous carbon (ta-C) and nitrogen doped (ta-C:N) films were obtained at room temperature in a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) system incorporating an off-plane double bend (S-bend) magnetic filter. The influence of the negative bias voltage applied to substrates (from -20 to -350 V) and the nitrogen background pressure (up to 10-3 Torr) on film properties was studied by scanning electron microscopy (SEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), Raman spectroscopy, X-ray photoemission spectroscopy (XPS), secondary ion mass spectroscopy (SIMS) and X-ray reflectivity (XRR). The ta-C films showed sp3 fractions between 84% and 88%, and mass densities around 3.2 g/cm3 in the wide range of bias voltage studied. In contrast, the compressive stress showed a maximum value of 11 GPa for bias voltages around -90 V, whereas for lower and higher bias voltages the stress decreased to 6 GPa. As for the ta-C:N films grown at bias voltages below -200 V and with N contents up to 7%, it has been found that the N atoms were preferentially sp3 bonded to the carbon network with a reduction in stress below 8 GPa. Further increase in bias voltage or N content increased the sp2 fraction, leading to a reduction in film density to 2.7 g/cm3.

Progress in the understanding of Ni silicide formation for advanced MOS structures

Metallic silicides have been used as contact materials on source/drain and gate in metal-oxide semiconductor (MOS) structure for 40 years. Since the 65 nm technology node, NiSi is the preferred material for contact in microelectronic due to low resistivity, low thermal budget, and low Si consumption. Ni(Pt)Si with 10 at.% Pt is currently employed in recent technologies since Pt allows to stabilize NiSi at high temperature. The presence of Pt and the very low thickness (<10 nm) needed for the device contacts bring new concerns for actual devices. In this work, in situ techniques [X-ray diffraction (XRD), X-ray reflectivity (XRR), sheet resistance, differential scanning calorimetry (DSC)] were combined with atom probe tomography (APT) to study the formation mechanisms as well as the redistribution of dopants and alloy elements (Pt, Pd.) during the silicide formation. Phenomena like nucleation, lateral growth, interfacial reaction, diffusion, precipitation, and transient phase formation are investigated. The effect of alloy elements (Pt, Pd.) and dopants (As, B.) as well as stress and defects induced by the confinement in devices on the silicide formation mechanism and alloying element redistribution is examined. In particular APT has been performed for the three-dimensional (3D) analysis of MOSFET at the atomic scale. The advances in the understanding of the mechanisms of formation and redistribution are discussed. © 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

All-optical switching device for infrared based on PbTe quantum dots

Multilayers of PbTe quantum dots embedded in SiO2 were fabricated by alternate use of Pulsed Laser Deposition (PLD) and Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) techniques. The morphological properties of the nanostructured material were studied by means of High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), Grazing-Incidence Small-Angle X-ray scattering (GISAXS) and X-ray Reflectometry (XRR) techniques. A preliminary analysis of the GISAXS spectra provided information about the multilayer periodicity and its relationship to the size of the deposited PbTe nanoparticles. Finally multilayers were fabricated inside a Fabry-Perot cavity. The device was characterized by means of Scanning Electron Microscopy (SEM). Transmittance measurements show the device functionality in the infrared region. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Estudo, desenvolvimento e caracterização de revestimentos do tipo super-rede de dureza

Nos últimos 10 anos, o desenvolvimento de técnicas de deposição e seus equipamentos permitiu o surgimento de novos tipos de filmes finos, principalmente voltados para aplicações mecânicas e tribológicas, que são multicamadas nanoestruturadas. Esses revestimentos apresentam propriedades que não são diretamente ligadas as propriedades das camadas individuais de cada material, geralmente apresentando valores de dureza extremamente elevados relacionados a um período de modulação crítico ΛC. Esses filmes demonstram um claro potencial para aplicações tribológicas mesmo com o seu comportamento de dureza ainda não completamente esclarecido. O objetivo deste trabalho é produzir multicamadas nanoestruturadas do tipo metal / nitreto pela técnica de magnetron sputtering usando Nb, Ta e TiN, visando obter uma estrutura com valores de dureza extremamente elevados, tipicamente observados em revestimentos do tipo super-redes. A estrutura periódica dos revestimentos com baixo valor de Λ (< 10 nm) foi caracterizada por XRR (Refletividade por Difração de Raios X) e por RBS (Espectrometria por Retroespalhamento Rutherford) para os valores altos de Λ. As propriedades mecânicas dos revestimentos foram avaliadas por testes instrumentados de dureza usando um equipamento Fischerscope HV100. Todas as multicamadas foram produzidas com sucesso e apresentaram uma periodicidade bem definida, o que foi confirmado pelos resultados de RBS e XRR. Os valores de dureza medidos apresentaram um comportamento tipicamente observado em superredes com um valor máximo maior que 50 GPa sempre relacionado a uma valor crítico de Λ. O valor ΛC foi 8 nm para as amostras de Nb/TiN e 4 nm para as amostras de Ta/TiN. A razão H/E indicou que o revestimento nanoestruturado mais adequado para aplicações tribológicas foram as multicamadas com maior valor de dureza. Esses resultados mostraram claramente a possibilidade de aplicação industrial destes revestimentos.

Structural characterization of undoped and Sb-doped SnO2 thin films fired at different temperatures

SnO2 thin films were obtained by the sol-gel method starting from inorganic precursor solutions. In this work, we compare the structure of undoped and Sb-doped SnO2 films prepared by dip-coating. The films were deposited on quartz substrates and then fired at different temperatures ranging from 383 up to 1173 K. The density and the thickness of the films were determined by X-ray reflectivity (XRR) and their porous nanostructure was characterized by grazing-incidence small angle X-ray scattering (GISAXS). XRR results corresponding to undoped and Sb-doped samples indicate a monotonous decrease in film thickness when they are fired at increasing temperatures. At same time, the apparent density of undoped samples exhibits a progressive increase while for Sb-doped films it remains invariant up to 973 K and then increases for T = 1173 K. Anisotropic GISAXS patterns of both films, Sb-doped and undoped, fired above 573 K indicate the presence of elongated pores with their major axis perpendicular to the film surface. For all firing temperatures the nanopores in doped samples are larger than in undoped ones. This suggests that Sb-doping favours the pore growth hindering the film densification. At the highest firing temperature (1173 K) this effect is reversed.

Study on the initial stages of water corrosion of fluorozirconate glasses

The surface corrosion process associated with the hydrolysis of fluorozirconate glass, ZBLAN (53ZrF(4), 20BaF(2), 20NaF, 4LaF(2), 3AlF(3)) was investigated using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), grazing-incidence small angle X-ray scattering (GISAXS), X-ray reflectivity (XRR) and scanning electron microscopy (SEM). After a short exposure period (25 min) of the glass surface to deionized water the XPS data indicate an increase of the oxygen content accompanied by a decrease of fluorine concentration. The analysis of the chemical bonding structure identified the predominant surface reaction products as zirconium hydroxyfluoride and oxyfluoride species. The second most abundant glass component, bariumfluoride, remains almost unaffected by oxygen, while sodium fluoride is completely removed from the attacked surface region. The detected structural and compositional changes are related to the selective dissolution of the glass components leading to the formation of a new surface phase. This process is accompanied by a visible surface roughening caused by reprecipitated species, observed by SEM. The modification of the glass surface is responsible for an increase of the GISAXS intensity. The scattering was attributed to nanovoids formed at the surface region of the glass with an average size of 2.4 +/- 0.05 nm. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Density improvement of the sol-gel dip-coated SnO2 films by chemical surface modification

We compare the effect of organic (Tiron (R)) and inorganic (Mn(11)) additives on the low temperature (< 600 degrees C) densification of the sol-gel dip-coated SnO2 films. The structural and compositional properties of the samples were investigated by X-ray reflectometry (XRR), X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results suggest that the replacement of hydroxyl groups at the particle surface by Tiron (R) reduces the level of agglomeration of the sol, increasing the particles packing and the apparent density of the coatings. Undoped and Mn-doped films drawn from a Tiron (R) containing suspension show after firing at 500 degrees C a porosity reduction of 12 and 8.6%, respectively. The porosity decrease is less pronounced (4.3%) for the film without additives. Both XAS and XPS data show the presence of trivalent manganese. The formation of a non-homogeneous solid solution characterised by the presence of Mn(111) replacing tin atom near to the crystallite surface was evidenced by XAS. Additionally, XPS results reveal the presence of metallic Sn at the surface of films containing Tirono. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Analytische und funktionale Charakterisierung von ultradünnen kohlenstoffbasierten Schichten in der Magnetspeichertechnologie

Ein Schwerpunkt der in dieser Arbeit durchgeführten Analysen konzentrierte sich auf den Einfluss der Kohlenstoffschichtdicke auf die resultierenden Schichteigenschaften. Dies erfolgte vor dem Hintergrund, dass ein Anstieg der Speicherdichte auf 100 Gbits/in2 mit einer Dickenreduzierung der magnetisch inaktiven Kohlenstoffschutzschichten auf 2 nm verbunden ist. Im Rahmen der Charakterisierung von wasserstoffhaltigen, mittels einem CVD-Netzhohlkathodenreaktor abgeschiedenen Schichten, wurde eine zuverlässige Anwen-dung der XRR zur Dickenbestimmung ultradünner Kohlenstoffschichten im Bereich von 2-20 nm demonstriert. Die konsistente Verwendung eines optischen Einschichtmodells deutet auf eine homogene Tiefenstruktur ohne deutliche Ausprägung von scharf defi-nierten Grenzflächenbereichen zum Substrat und zur Oberfläche hin. Die Analyse des Schichtdickeneinflusses ergab eine leichte Verminderung der Kratz-härte sowie einen Rückgang des Elastizitätsmoduls von 90 GPa auf etwa 60 GPa, wenn die Schichtdicken bei Raumtemperaturabscheidung von 17 nm auf 2 nm reduziert wer-den. Diese Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit gewonnen ramanspektro-skopischen Resultaten, die einen ansteigenden sp2-Bindungsanteil für abnehmende Schichtdicken belegen. Die Charakterisierung von wasserstofffreien, gepulsten Vakuumbogen-Schichten ergab ein heterogenes Tiefenprofil, bestehend aus Oberflächen-, Bulk- und Interfacebereich. Diese Struktur führt zu einer Schichtdickenabhängigkeit von mechanischen und struktu-rellen Parametern, die über die gesamte Schichtdicke gemittelt werden. XRR-Analysen ergaben Bulkdichten von 2.8-3.0 g/cm3 bei Raumtemperaturabscheidung und 2.2 g/cm3 für eine Beschichtung von Speicherplatten bei einer Temperatur von 200 °C. Durchgeführte AFM-Messungen an Schichten auf Silizumsubstraten zeigten nahezu kei-ne Abhängigkeit der RMS-Oberflächenrauhigkeit von der Schichtdicke bis zu 18 nm und lieferten konstante Werte im Bereich der Substratrauhigkeit von etwa 0.1 nm. Bei der Beschichtung von Speicherplatten bewirkt eine Dickenabnahme der aufgebrachten Filme sogar einen glättenden Einfluss auf die Oberflächentopographie. Der Elastizitätsmodul und die mittels Mehrwellenlängen-Ramanspektroskopie ermittelte Raman-G-Peak-Dispersion als Maße für Schichthärte und Schichtstruktur zeigen einen korrelierenden Abfall für verringerte Schichtdicken. Der Elastizitätsmodul fällt im Fall ei-ner Raumtemperaturabscheidung von etwa 450 GPa bei 20 nm Dicke auf ca. 50 GPa bei weniger als 2 nm Dicke ab. Diese Resultate werden durch röntgenabsorptionsspektro-skopische Untersuchungen der Kohlenstoff-K-Kante bestätigt. Kombinierte XPS- und XANES-Analysen der Bedeckungsqualität von Vakuumbogen-Schichten ergaben eine kritische Dicke von nur ca. 1 nm. Bei einer Unterschreitung die-ses Dickenwertes kann eine vollständige Bedeckung bzw. der Korrosionsschutz des un-terliegenden metallischen Mediums nicht mehr uneingeschränkt gewährleistet werden. XPS-Referenzmessungen an konvenzionellen CNx-Schichten weisen demgegenüber oxidische Cobaltsignale bereits im Bereich von 2-3 nm nach.

Abscheidung und Charakterisierung von Plasmapolymerschichten auf Fluorkohlenstoff- und Siloxan-Basis

In dieser Arbeit wurden Fluorkohlenstoff-basierte und siliziumorganische Plasmapolymerfilme hergestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionalen Eigenschaften untersucht. Beide untersuchten Materialsysteme sind in der Beschichtungstechnologie von großem wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Interesse. Die Schichtabscheidung erfolgte mittels plasmachemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) an Parallelplattenreaktoren. Bei den Untersuchungen zur Fluorkohlenstoff-Plasmapolymerisation stand die Herstellung ultra-dünner, d. h. weniger als 5 nm dicker Schichten im Vordergrund. Dies wurde durch gepulste Plasmaanregung und Verwendung eines Gasgemisches aus Trifluormethan (CHF3) und Argon realisiert. Die Bindungsstruktur der Schichten wurden in Abhängigkeit der eingespeisten Leistung, die den Fragmentationsgrad der Monomere im Plasma bestimmt, analysiert. Hierzu wurden die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) und Röntgenreflektometrie (XRR) eingesetzt. Es zeigte sich, dass die abgeschiedenen Schichten ein homogenes Wachstumsverhalten und keine ausgeprägten Interfacebereiche zum Substrat und zur Oberfläche hin aufweisen. Die XPS-Analysen deuten darauf hin, dass Verkettungsreaktionen von CF2-Radikalen im Plasma eine wichtige Rolle für den Schichtbildungsprozess spielen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der gewählte Beschichtungsprozess eine gezielte Reduzierung der Benetzbarkeit verschiedener Substrate ermöglicht. Dabei genügen Schichtdicken von weniger als 3 nm zur Erreichung eines teflonartigen Oberflächencharakters mit Oberflächenenergien um 20 mN/m. Damit erschließen sich neue Applikationsmöglichkeiten ultra-dünner Fluorkohlenstoffschichten, was anhand eines Beispiels aus dem Bereich der Nanooptik demonstriert wird. Für die siliziumorganischen Schichten unter Verwendung des Monomers Hexamethyldisiloxan (HMDSO) galt es zunächst, diejenigen Prozessparameter zu identifizieren, die ihren organischen bzw. glasartigen Charakter bestimmen. Hierzu wurde der Einfluss von Leistungseintrag und Zugabe von Sauerstoff als Reaktivgas auf die Elementzusammensetzung der Schichten untersucht. Bei niedrigen Plasmaleistungen und Sauerstoffflüssen werden vor allem kohlenstoffreiche Schichten abgeschieden, was auf eine geringere Fragmentierung der Kohlenwasserstoffgruppen zurückgeführt wurde. Es zeigte sich, dass die Variation des Sauerstoffanteils im Prozessgas eine sehr genaue Steuerbarkeit der Schichteigenschaften ermöglicht. Mittels Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) konnte die prozesstechnische Realisierbarkeit und analytische Quantifizierbarkeit von Wechselschichtsystemen aus polymerartigen und glasartigen Lagen demonstriert werden. Aus dem Intensitätsverhältnis von Si:H-Molekülen zu Si-Atomen im SNMS-Spektrum ließ sich der Wasserstoffgehalt bestimmen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Abscheidung von HMDSO-basierten Gradientenschichten eine deutliche Reduzierung von Reibung und Verschleiß bei Elastomerbauteilen erzielt werden kann.