Spektroskopische und mikroskopische Untersuchungen zur Bildung von Siliciumoxidschichten aus einem zweistufigen Plasmaverfahren

Wurlitzer, Lisa GND

Today thin films of a few nanometers to some micrometers are used to protect surfaces. Silicon dioxide is often used because of it is versatilely. Just as the material to be coated is versatile in its properties, the coating process must also be accordingly. Until now most of the coating processes for silicon dioxide films are complex and leave unwanted residues behind. These are for example organic compounds, which can include polymeric structures, by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) with organic silicons. Silane gas for the PECVD process is a solution to avoid these residues. It produces silicon dioxide by a heavy exothermic reaction with oxygen. This thesis shows a new way of deposition of silicion oxide layers by using the PECVD process with silane gas. The explosive reaction is prevented by a local and temporal separation of the reaction gases in a two-stage process. At first a dielectric barrier discharge of the gaseous mixture of SiH4/N2 deposit a silicon nitride film on the surface of the substrate. In the second step an oxygen plasma oxidizes the film into SiO2. In this thesis the resulting layers from the different process steps are characterized by the spectroscopic methods x-ray photoelectron spectroscopy and ultraviolet photoelectron spectroscopy depending on the process parameters pressure, time and discharge characteristic. In addition to that the effect of the different parameters on the surface morphology of the different layers and the different oxygen sources for the oxidation are analyzed. In conclusion an oxidation mechanism and the resulting threelayer-system can be described. The optimal process parameters for nearly stoichiometric silicon dioxide with a thickness of 8 – 10 nm on a substrate with oxygen content combine the results.

Zum Schutz von Oberflächen werden heutzutage dünne Schichten von nur wenigen Nanometern bis einigen Mikrometern aufgebracht. Siliciumdioxid wird dabei häufig aufgrund der Vielseitigkeit eingesetzt. Wie auch das zu beschichtende Material vielseitig in dessen Eigenschaften ist, muss dementsprechend auch der Beschichtungsprozess sein. Im Bereich der SiO2- Beschichtung hinterlassen die bisherigen mitunter aufwendigen Verfahren meist ungewollte Rückstände in der Beschichtung zurück. So kommt es bei der plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidungen (PEVCD) von Organisilicium-Verbindungen zu organischen Verunreinigungen mit teilweise polymerartigen Strukturen. Um diese Rückstände zu vermeiden kann Silan im PECVD-Verfahren verwendet werden. Dieses bildet in Verbindung mit Sauerstoff in einer stark exothermen Reaktion SiO2. In dieser Dissertation wird ein neuartiges Verfahren zur Abscheidung von Siliciumoxid-Schichten mittels eines PECVD-Verfahrens unter der Verwendung von Silan betrachtet. Die explosionsartige Reaktion wird durch eine räumliche und zeitliche Trennung der Reaktionsgase in einem zweistufigen Verfahren verhindert. Im ersten Prozessschritt wird eine Siliciumnitrid-Schicht auf das Substrat mittels eines SiH4/N2-Gasgemisches bei Raumtemperatur durch Zündung einer dielektrisch behinderten Entladung aufgebracht. Diese Beschichtung wird im zweiten Prozessschritt durch die Zündung von sauerstoffhaltigen Plasma zu SiO2 oxidiert. Gegenstand dieser Dissertation ist die spektroskopische Analyse mittels Röntgenphotoelektronen- und Valenzbandspektroskopie der einzelnen Prozessschritte in Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter des Partialdruckes, der Behandlungsdauer und der Entladungscharakteristik. Des Weiteren wird die Abhängigkeit von der Sauerstoffquelle für die Oxidation und der Einfluss dieser Parameter auf die Oberflächenmorphologie betrachtet. Schlussendlich kann anhand dieser Untersuchungen auf ein Oxidationsmechanismus der abgeschiedenen Siliciumnitrid-Schicht geschlossen werden, bei dem sich ein drei-Schicht-Aufbau ergibt. Hinzu können optimale Einstellungen des Verfahrens abgegeben werden. Mit diesen kann eine weitestgehend stöchiometrische Schicht aus SiO2 von 8-10 nm auf ein oxidisches Substrat aufgebracht werden.

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Wurlitzer, Lisa: Spektroskopische und mikroskopische Untersuchungen zur Bildung von Siliciumoxidschichten aus einem zweistufigen Plasmaverfahren. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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