Flexible organic–inorganic hybrid layer encapsulation for organic opto-electronic devices

In this work we produce and study the flexible organic–inorganic hybrid moisture barrier layers for the protection of air sensitive organic opto-electronic devices. The inorganic amorphous silicon nitride layer (SiNx:H) and the organic PMMA [poly (methyl methacrylate)] layer are deposited alternatingly by using hot wire chemical vapor deposition (HW-CVD) and spin-coating techniques, respectively. The effect of organic–inorganic hybrid interfaces is analyzed for increasing number of interfaces. We produce highly transparent (∼80% in the visible region) hybrid structures. The morphological properties are analysed providing a good basis for understanding the variation of the water vapor transmission rate (WVTR) values. A minimum WVTR of 4.5 × 10−5g/m2day is reported at the ambient atmospheric conditions for 7 organic/inorganic interfaces. The hybrid barriers show superb mechanical flexibility which confirms their high potential for flexible applications.

Nucleation and growth of GaN nanorods on Si (111) surfaces by plasma-assisted molecular beam epitaxy - The influence of Si- and Mg-doping

The self-assembled growth of GaN nanorods on Si (111) substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy under nitrogen-rich conditions is investigated. An amorphous silicon nitride layer is formed in the initial stage of growth that prevents the formation of a GaN wetting layer. The nucleation time was found to be strongly influenced by the substrate temperature and was more than 30 min for the applied growth conditions. The observed tapering and reduced length of silicon-doped nanorods is explained by enhanced nucleation on nonpolar facets and proves Ga-adatom diffusion on nanorod sidewalls as one contribution to the axial growth. The presence of Mg leads to an increased radial growth rate with a simultaneous decrease of the nanorod length and reduces the nucleation time for high Mg concentrations.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

Corrosion behavior of Ti-6Al-4V alloy treated by plasma immersion ion implantation process

Ti-6Al-4V alloy is one of the most frequently used Ti alloys with diverse applications in aerospace and biomedical areas due to its favorable mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility. Meanwhile, its surface can stiffer intense corrosion caused by wear processes due to its poor tribological properties. Thus in the present study, PIII processing of Ti-6Al-4V alloy was carried out to evaluate its corrosion resistance in 3.5% NaCl solution. Two different sets of Ti-6Al-4V samples were PIII treated, varying the plasma gases and the treatment time. The corrosion behavior is correlated with the surface morphology, and the nitrogen content. SEM micrographs of the untreated sample reveal a typical two-phase structure. PIII processing promotes surface sputtering and the surface morphology is completely different for samples treated with N-2/H-2 mixture and N-2 only. The highest penetration of nitrogen (similar to 88 nm), corresponding to 33% of N-2 was obtained for the sample treated with N-2/H-2 mixture for 1:30 h. The corrosion behavior of the samples was investigated by a potentiodynamic polarization method. A large passive region of the polarization curves (similar to 1.5 V), associated with the formation of a protective film, was observed for all samples. The passive current density (similar to 3 x 10(-6) A cm(-2)) of the PIII-treated Ti-6Al-4V samples is about 10 times higher than for the untreated sample. This current value is still rather low and maintains good corrosion resistance. The anodic branches of the polarization curves for all treated Ti-6Al-4V samples demonstrate also that the oxide films break down at approximately 1.6 V, forming an active region. Although the sample treated by N-2/H-2 mixture for 1.30 It has thicker nitrogen enriched layer, better corrosion resistance is obtained for the PIII process performed with N, gas only. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Enhanced corrosion resistance of AISI H13 steel treated by nitrogen plasma immersion ion implantation

Electrochemical corrosion measurements of AISI H13 steel treated by Pill process in 3.5% (wt) NaCl solution were investigated. So far the corrosion behavior of AISI H 13 steel by Pill has not been studied. The electrochemical results are correlated with the surface morphology, nitrogen content and hardness of the nitride layer. Ion implantation of nitrogen into H 13 steel was carried out by Pill technique. SEM examination revealed a generalized corrosion and porosity over all analyzed sample surfaces. Penetration of nitrogen reaching more than 20 gm was achieved at 450 degrees C and hardness as high as 1340 HV (factor of 2.7 enhancement over standard tempered and annealed H 13) was reached by a high power, 9 h Pill treatment. The corrosion behavior of the samples was studied by potentiodynamic polarization method. The noblest corrosion behavior was observed for the samples treated by PIII at 450 degrees C, during 9 h. Anodic branches of polarization curves of PIII processed samples show a passive region associated with the formation of a protective film. The passive region current density of PIII treated H13 samples (3.5 x 10(-6) A/cm(2)) is about 270 times lower than the one of untreated specimens, which demonstrates the higher corrosion resistance for the Pill treated H 13 samples. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effects of the high-temperature plasma immersion ion-implantation treatment on corrosion behavior of Ti-6Al1-4V

Nitrogen implantation into Ti alloys at higher temperatures improves their mechanical and corrosion resistance properties by forming a thicker nitride layer. In this paper, two different sets of Ti-6Al-4V samples were plasma immersion ion implantation (PIII)-treated using nitrogen plasma, varying the treatment time from 30 to 150 min (800 degrees C) and the process temperature from 400 degrees C to 800 degrees C (t = 60 min). Nanoindentation measurements of the PIII-treated samples at 800 C during 150 min showed the highest hardness value, 24 GPa, which is about four times bigger than untreated sample hardness. The N penetration at these conditions reached approximately 150 nm as analyzed by Auger spectroscopy. on the other hand, the lowest passive current density (3 x 10(-7) A. cm(-2)) was obtained for a PIII-treated sample during 30 min at higher temperature (800 degrees C). The corrosion resistance of this sample is almost the same as for the untreated specimen. Corrosion behavior evidenced that in strong oxidizing media, all PIII-treated samples are more corrosion resistant than the untreated one. PIII processing at higher temperatures promotes smoothing of the sample surface as observed by scanning electron microscopy (SEM). Grazing incidence X-ray diffraction analyses of the untreated samples identified the two typical Ti phases, Ti alpha and Ti beta. After the implantation, Ti2N and TiO2 phases were also detected.

Wear and corrosion of mechanical seals

Mechanical seals are used extensively to seal machinery such as pumps, mixers and agitators in the oil, petrochemical and chemical industries. The performance of such machinery is critically dependent on these devices. Seal failures may result in the escape of dangerous chemicals, possibly causing injury or loss of life. Seal performance is limited by the choice of face materials available. These range from cast iron and stellited stainless steel to cemented and silicon carbides. The main factors that affect seal performance are the wear and corrosion of seal faces. This research investigated the feasibility of applying surface coating/treatments to seal materials, in order to provide improved seal performance. Various surface coating/treatment methods were considered; these included electroless nickel plating, ion plating, plasma nitriding, thermal spraying and high temperature diffusion processes. The best wear resistance, as evaluated by the Pin-on-Disc wear test method, was conferred by the sprayed tungsten carbide/nickel/tungsten-chromium carbide deposit, produced by the high energy plasma spraying (Jet-Kote) process. In general, no correlation was found between hardness and wear resistance or surface finish and friction. This is due primarily to the complexity of the wear and frictional oxidation, plastic deformation, ploughing, fracture and delamination. Corrosion resistance was evaluated by Tafel extrapolation, linear polarisation and anodic potentiodynamic polarisation techniques. The best corrosion performance was exhibited by an electroless nickel/titanium nitride duplex coating due to the passivity of the titanium nitride layer in the acidified salt solution. The surface coating/treatments were ranked using a systematic method, which also considered other properties such as adhesion, internal stress and resistance to thermal cracking. The sealing behaviour of surface coated/treated seals was investigated on an industrial seal testing rig. The best sealing performances were exhibited by the Jet-Kote and electroless nickel silicon carbide composite coated seals. The failure of the electroless nickel and electroless nickel/titanium nitride duplex coated seals was due to inadequate adhesion of the deposits to the substrate. Abrasion of the seal faces was the principal wear mechanism. For operation in an environment similar to the experimental system employed (acidified salt solution) the Jet-Kote deposit appears to be the best compromise.

An 8x8 thermopile based uncooled infrared sensor

International audience

Spatial and temporal measurements using polyoxometalate, enzymatic and biofilm layers on a CMOS 0.35 μm 64 X 64-pixel I.S.F.E.T. array sensor

This thesis presents the achievements and scientific work conducted using a previously designed and fabricated 64 x 64-pixel ion camera with the use of a 0.35 μm CMOS technology. We used an array of Ion Sensitive Field Effect Transistors (ISFETs) to monitor and measure chemical and biochemical reactions in real time. The area of our observation was a 4.2 x 4.3 mm silicon chip while the actual ISFET array covered an area of 715.8 x 715.8 μm consisting of 4096 ISFET pixels in total with a 1 μm separation space among them. The ion sensitive layer, the locus where all reactions took place was a silicon nitride layer, the final top layer of the austriamicrosystems 0.35 μm CMOS technology used. Our final measurements presented an average sensitivity of 30 mV/pH. With the addition of extra layers we were able to monitor a 65 mV voltage difference during our experiments with glucose and hexokinase, whereas a difference of 85 mV was detected for a similar glucose reaction mentioned in literature, and a 55 mV voltage difference while performing photosynthesis experiments with a biofilm made from cyanobacteria, whereas a voltage difference of 33.7 mV was detected as presented in literature for a similar cyanobacterial species using voltamemtric methods for detection. To monitor our experiments PXIe-6358 measurement cards were used and measurements were controlled by LabVIEW software. The chip was packaged and encapsulated using a PGA-100 chip carrier and a two-component commercial epoxy. Printed circuit board (PCB) has also been previously designed to provide interface between the chip and the measurement cards.

Effect of reaction mechanism on precursor exposure time in atomic layer deposition of silicon oxide and silicon nitride

Atomic layer deposition (ALD) of highly conformal, silicon-based dielectric thin films has become necessary because of the continuing decrease in feature size in microelectronic devices. The ALD of oxides and nitrides is usually thought to be mechanistically similar, but plasma-enhanced ALD of silicon nitride is found to be problematic, while that of silicon oxide is straightforward. To find why, the ALD of silicon nitride and silicon oxide dielectric films was studied by applying ab initio methods to theoretical models for proposed surface reaction mechanisms. The thermodynamic energies for the elimination of functional groups from different silicon precursors reacting with simple model molecules were calculated using density functional theory (DFT), explaining the lower reactivity of precursors toward the deposition of silicon nitride relative to silicon oxide seen in experiments, but not explaining the trends between precursors. Using more realistic cluster models of amine and hydroxyl covered surfaces, the structures and energies were calculated of reaction pathways for chemisorption of different silicon precursors via functional group elimination, with more success. DFT calculations identified the initial physisorption step as crucial toward deposition and this step was thus used to predict the ALD reactivity of a range of amino-silane precursors, yielding good agreement with experiment. The retention of hydrogen within silicon nitride films but not in silicon oxide observed in FTIR spectra was accounted for by the theoretical calculations and helped verify the application of the model.

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]

Residual stresses in titanium nitride thin films obtained with step variation of substrate bias voltage during deposition

In this work, a series of depositions of titanium nitride (TiN) films on M2 and D2 steel substrates were conducted in a Triode Magnetron Sputtering chamber. The temperature; gas flow and pressure were kept constant during each run. The substrate bias was either decreased or increased in a sequence of steps. Residual stress measurements were later conducted through the grazing X-ray diffraction method. Different incident angles were used in order to change the penetration depth and to obtain values of residual stress at different film depths. A model described by Dolle was adapted as an attempt to calculate the values of residual stress at each incident angle as a function of the value from each individual layer. Stress results indicated that the decrease in bias voltage during the deposition has produced compressive residual stress gradients through the film thickness. On the other hand, much less pronounced gradients were found in one of the films deposited with increasing bias voltage. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Improved effective charge density in MOS capacitors with PECVD SiOxNy dielectric layer obtained at low RF power

In this work SiOxNy films are produced and characterized. Series of samples were deposited by the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique at low temperatures from silane (SiH4), nitrous oxide (N2O) and helium (He) precursor gaseous mixtures, at different deposition power in order to analyze the effect of this parameter on the films structural properties, on the SiOxNy/Si interface quality and on the SiOxNy effective charge density. In order to compare the film structural properties with the interface (SiOxNy/Si) quality and effective charge density, MOS capacitors were fabricated using these films as dielectric layer. X-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES), at the Si-K edge, was utilized to investigate the structure of the films and the material bonding characteristics were analyzed through Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The MOS capacitors were characterized by low and high frequency capacitance (C-V) measurements, in order to obtain the interface state density (D-it) and the effective charge density (N-ss). An effective charge density linear reduction for decreasing deposition power was observed, result that is attributed to the smaller amount of ions present in the plasma for low RF power. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Titanium oxide adhesion layer for high temperature annealed Si/Si3N4/TiOx/Pt/LiCoO2 battery structures

This work describes the influence of a high annealing temperature of about 700C on the Si(substrate)/Si3N4/TiOx/Pt/LiCoO2 multilayer system for the fabrication of all-solid-state lithium ion thin film microbatteries. Such microbatteries typically utilize lithium cobalt oxide (LiCoO2) as cathode material with a platinum (Pt) current collector. Silicon nitride (Si3N4) is used to act as a barrier against Li diffusion into the substrate. For a good adherence between Si3N4 and Pt, commonly titanium (Ti) is used as intermediate layer. However, to achieve crystalline LiCoO2 the multilayer system has to be annealed at high temperature. This post-treatment initiates Ti diffusion into the Pt-collector and an oxidation to TiOx, leading to volume expansion and adhesion failures. To solve this adhesion problem, we introduce titanium oxide (TiOx) as an adhesion layer, avoiding the diffusion during the annealing process. LiCoO2, Pt and Si3N4 layers were deposited by magnetron sputtering and the TiOx layer by thermal oxidation of Ti layers deposited by e-beam technique. Asdeposited and annealed multilayer systems using various TiOx layer thicknesses were studied by scanning electron microscopy (SEM) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results revealed that an annealing process at temperature of 700C leads to different interactions of Ti atoms between the layers, for various TiOx layer thicknesses (25–45 nm).