Preparation of films from aluminum acetylacetonate by plasma sputtering

Aluminum acetylacetonate has been reported as a precursor for the deposition of alumina films using different approaches. In this work, alumina-containing films were prepared by plasma sputtering this compound, spread directly on the powered lowermost electrode of a reactor, while grounding the substrates mounted on the topmost electrode. Radiofrequency power (13.56 MHz) was used to excite the plasma from argon atmosphere at a working pressure of 11 Pa. The effect of the plasma excitation power on the properties of the resulting films was studied. Film thickness and hardness were measured by profilometry and nanoindentation, respectively. The molecular structure and chemical composition of the layers were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy and energy dispersive spectroscopy. Surface micrographs, obtained by scanning electron microscopy, allowed the determination of the sample morphology. Grazing incidence X-ray diffraction was employed to determine the structure of the films. Amorphous organic layers were deposited with thicknesses of up to 7 μm and hardness of around 1.0 GPa. The films were composed by aluminum, carbon, oxygen and hydrogen, their proportions being strongly dependent on the power used to excite the plasma. A uniform surface was obtained for low-power depositions, but particulates and cracks appeared in the high-power prepared materials. The presence of different proportions of aluminum oxide in the coatings is ascribed to the different activations promoted in the metalorganic molecule once in the plasma phase. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Feasibility of RF Sputtering and PIIID for production of thin films from red mud

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Innovative low temperature plasma approach for deposition of alumina films

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Deposition of SiOx Thin Films on Y-TZP by Reactive Magnetron Sputtering: Influence of Plasma Parameters on the Adhesion Properties Between Y-TZP and Resin Cement for Application in Dental Prosthesis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Study of metal oxide-semiconductor capacitors with rf magnetron sputtering TiO(x) and TiO(x)N(y) gate dielectric layer

Metal oxide-semiconductor capacitors with TiO(x) deposited with different O(2) partial pressures (30%, 35%, and 40%) and annealed at 550, 750, and 1000 degrees C were fabricated and characterized. Fourier transform infrared, x-ray near edge spectroscopy, and elipsometry measurements were performed to characterize the TiO(x) films. TiO(x)N(y) films were also obtained by adding nitrogen to the gaseous mixture and physical results were presented. Capacitance-voltage (1 MHz) and current-voltage measurements were utilized to obtain the effective dielectric constant, effective oxide thickness, leakage current density, and interface quality. The results show that the obtained TiO(x) films present a dielectric constant varying from 40 to 170 and a leakage current density (for V(G)=-1 V, for some structures as low as 1 nA/cm(2), acceptable for complementary metal oxide semiconductor circuits fabrication), indicating that this material is a viable, in terms of leakage current density, highk substitute for current ultrathin dielectric layers. (C) 2009 American Vacuum Society. [DOI: 10.1116/1.3043537]

Hardness and structure characterization of Ti(6)Al(4)V films produced by reactive magnetron sputtering on a conventional austenitic stainless steel

Ti(6)Al(4)V thin films were grown by magnetron sputtering on a conventional austenitic stainless steel. Five deposition conditions varying both the deposition chamber pressure and the plasma power were studied. Highly textured thin films were obtained, their crystallite size (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Study of reactive sputtering titanium oxide for metal-oxide-semiconductor capacitors

Metal oxide semiconductor (MOS) capacitors with titanium oxide (TiO(x)) dielectric layer, deposited with different oxygen partial pressure (30,35 and 40%) and annealed at 550, 750 and 1000 degrees C, were fabricated and characterized. Capacitance-voltage and current-voltage measurements were utilized to obtain, the effective dielectric constant, effective oxide thickness, leakage current density and interface quality. The obtained TiO(x) films present a dielectric constant varying from 40 to 170 and a leakage current density, for a gate voltage of - 1 V, as low as 1 nA/cm(2) for some of the structures, acceptable for MOS fabrication, indicating that this material is a viable high dielectric constant substitute for current ultra thin dielectric layers. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Low-temperature deposition of silicon oxide and silicon nitride by reactive magnetron sputtering

In this study, oxide and nitride films were deposited at room temperature through the reaction of silicon Sputtered by argon and oxygen ions or argon and nitrogen ions at 250 and 350 W with 0.67 Pa pressure. It was observed that for both thin films the deposition rates increase with the applied RF power and decrease with the increase of the gas concentration. The Si/O and Si/N ratio were obtained through RBS analyses and for silicon oxide the values changed from 0.42 to 0.57 and for silicon nitride the Values changed from 0.4 to 1.03. The dielectric constants were calculated through capacitance-voltage curves with the silicon oxide values varying from 2.4 to 5.5, and silicon nitride values varying from 6.2 to 6.7, which are good options for microelectronic dielectrics. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Élaboration d’un simulateur de gravure par plasma de haute densité basé sur une approche cellulaire pour l’étude de profils dans divers matériaux

La réalisation de dispositifs à des dimensions sous-micrométriques et nanométriques demande une maîtrise parfaite des procédés de fabrication, notamment ceux de gravure. La réalisation des ces dispositifs est complexe et les exigences en termes de qualité et de géométrie des profils de gravure imposent de choisir les conditions opératoires les mieux adaptées. Les simulations de l'évolution spatio-temporelle des profils de gravure que nous proposons dans cette thèse s'inscrivent parfaitement dans ce contexte. Le simulateur que nous avons réalisé offre la possibilité de mieux comprendre les processus qui entrent en jeu lors de la gravure par plasma de profils dans divers matériaux. Il permet de tester l'influence des paramètres du plasma sur la forme du profil et donc de déterminer les conditions opératoires optimales. La mise au point de ce simulateur s'appuie sur les concepts fondamentaux qui gouvernent la gravure par plasma. À partir de l'état des lieux des différentes approches numériques pouvant être utilisées, nous avons élaboré un algorithme stable et adaptable permettant de mettre en évidence l'importance de certains paramètres clés pour la réalisation de profils de gravure par un plasma à haute densité et à basse pression. Les capacités de cet algorithme ont été testées en étudiant d'une part la pulvérisation de Si dans un plasma d'argon et d'autre part, la gravure chimique assistée par les ions de SiO2/Si dans un plasma de chlore. Grâce aux comparaisons entre profils simulés et expérimentaux, nous avons montré l'importance du choix de certains paramètres, comme la nature du gaz utilisé et la pression du plasma, la forme initiale du masque, la sélectivité masque/matériau, le rapport de flux neutre/ion, etc. Nous avons aussi lié ces paramètres à la formation de défauts dans les profils, par exemple celle de facettes sur le masque, de parois concaves, et de micro-tranchées. Enfin, nous avons montré que le phénomène de redépôt des atomes pulvérisés entre en compétition avec la charge électrique de surface pour expliquer la formation de profils en V dans le Pt pulvérisé par un plasma d'argon.

Simulation de profils de gravure et de dépôt à l’échelle du motif pour l’étude des procédés de microfabrication utilisant une source plasma de haute densité à basse pression

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Dynamique de croissance par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc

Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique de croissance par pulvérisation par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc destinées à des applications électroniques, optoélectroniques et photoniques de pointe. Dans ce contexte, nous avons mis au point plusieurs diagnostics permettant de caractériser les espèces neutres et chargées dans ce type de plasmas, notamment la sonde électrostatique, la spectroscopie optique d’émission et d’absorption, ainsi que la spectrométrie de masse. Par la suite, nous avons tenté de corréler certaines caractéristiques physiques de croissance des couches de ZnO, en particulier la vitesse de dépôt, aux propriétés fondamentales du plasma. Nos résultats ont montré que l’éjection d’atomes de Zn, In et O au cours de la pulvérisation RF magnétron de cibles de Zn, ZnO et In2O3 n’influence que très peu la densité d’ions positifs (et donc la densité d’électrons en supposant la quasi-neutralité) ainsi que la fonction de distribution en énergie des électrons (populations de basse et haute énergie). Cependant, le rapport entre la densité d’atomes d’argon métastables (3P2) sur la densité électronique décroît lorsque la densité d’atomes de Zn augmente, un effet pouvant être attribué à l’ionisation des atomes de Zn par effet Penning. De plus, dans les conditions opératoires étudiées (plasmas de basse pression, < 100 mTorr), la thermalisation des atomes pulvérisés par collisions avec les atomes en phase gazeuse demeure incomplète. Nous avons montré que l’une des conséquences de ce résultat est la présence d’ions Zn+ suprathermiques près du substrat. Finalement, nous avons corrélé la quantité d’atomes de Zn pulvérisés déterminée par spectroscopie d’émission avec la vitesse de dépôt d’une couche mince de ZnO mesurée par ellipsométrie spectroscopique. Ces travaux ont permis de mettre en évidence que ce sont majoritairement les atomes de Zn (et non les espèces excitées et/ou ioniques) qui gouvernent la dynamique de croissance par pulvérisation RF magnétron des couches minces de ZnO.

Characterization of radio frequency plasma using Langmuir probe and optical emission spectroscopy

The radio frequency plasma generated during the sputtering of Indium Tin Oxide target using Argon was analyzed by Langmuir probe and optical-emission spectroscopy. The basic plasma parameters such as electron temperature and ion density were evaluated. These studies were carried out by varying the RF power from 20 to 50 W. A linear increase in ion density and an exponential decrease in electron temperature with rf power were observed. The measured plasma parameters were then correlated with the properties of ITO thin films deposited under similar plasma conditions.

Studies on Laser Induced and RF Sputtered Plasma using Optical Emission Spectroscopy and Langmuir Probe

The main objective of the present study is to understand different mechanisms involved in the production and evolution of plasma by the pulsed laser ablation and radio frequency magnetron sputtering. These two methods are of particular interest, as these are well accomplished methods used for surface coatings, nanostructure fabrications and other thin film devices fabrications. Material science researchers all over the world are involved in the development of devices based on transparent conducting oxide (TCO) thin films. Our laboratory has been involved in the development of TCO devices like thin film diodes using zinc oxide (ZnO) and zinc magnesium oxide (ZnMgO), thin film transistors (TFT's) using zinc indium oxide and zinc indium tin oxide, and some electroluminescent (EL) devices by pulsed laser ablation and RF magnetron sputtering.In contrast to the extensive literature relating to pure ZnO and other thin films produced by various deposition techniques, there appears to have been relatively little effort directed towards the characterization of plasmas from which such films are produced. The knowledge of plasma dynamics corresponding to the variations in the input parameters of ablation and sputtering, with the kind of laser/magnetron used for the generation of plasma, is limited. To improve the quality of the deposited films for desired application, a sound understanding of the plume dynamics, physical and chemical properties of the species in the plume is required. Generally, there is a correlation between the plume dynamics and the structural properties of the films deposited. Thus the study of the characteristics of the plume contributes to a better understanding and control of the deposition process itself. The hydrodynamic expansion of the plume, the composition, and SIze distribution of clusters depend not only on initial conditions of plasma production but also on the ambient gas composition and pressure. The growth and deposition of the films are detennined by the thermodynamic parameters of the target material and initial conditions such as electron temperature and density of the plasma.For optimizing the deposition parameters of various films (stoichiometric or otherwise), in-situ or ex-situ monitoring of plasma plume dynamics become necessary for the purpose of repeatability and reliability. With this in mind, the plume dynamics and compositions of laser ablated and RF magnetron sputtered zinc oxide plasmas have been investigated. The plasmas studied were produced at conditions employed typically for the deposition of ZnO films by both methods. Apart from this two component ZnO plasma, a multi-component material (lead zirconium titanate) was ablated and plasma was characterized.

Adição de nanopartículas de Ti em matriz de Fe através da deposição por magnetron sputtering

Microalloyed steels constitute a specific class of steel with low amount of carbon and microalloying elements such as Vanadium (V), Niobium (Nb) and Titanium (Ti). The development and application of microalloyed steels and steels in general are limited to the handling of powders with particles of submicron or nanometer dimensions. Therefore, this work presents an alternative in order to construction of microalloyed steels utilizing the deposition by magnetron sputtering technique as a microalloying element addiction in which Ti nanoparticles are dispersed in an iron matrix. The advantage of that technique in relation to the conventional metallurgical processes is the possibility of uniformly disperse the microalloying elements in the iron matrix. It was carried out deposition of Ti onto Fe powder in high CH4, H2, Ar plasma atmosphere, with two deposition times. After the deposition, the iron powder with nanoparticles of Ti dispersed distributed, were compacted and sintered at 1120 ° C in resistive furnace. Characterization techniques utilized in the samples of powder before and after deposition of Ti were Granulometry, Scanning Electron Microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and X-ray diffraction (DRX). In the case of sintered samples, it was carried out characterization by SEM and Vickers Microhardness assays. The results show which the deposition technique by magnetron sputtering is practicable in the dispersion of particles in iron matrix. The EDX microanalysis detected higher percentages of Ti when the deposition were carried out with the inert gas and when the deposition process was carried out with reactive gas. The presence of titanium in iron matrix was also evidenced by the results of X-ray diffraction peaks that showed shifts in the network matrix. Given these results it can be said that the technique of magnetron sputtering deposition is feasible in the dispersion of nanoparticles of iron matrix in Ti.