Untersuchung des reaktiven Sputterprozesses zur Herstellung von ...

2.4. Wachstum gesputterter Schichten 25
Unter Abschattung wird der rein geometrische Einfluss der Oberflächenrauigkeit verstanden.
Aus der Oberfläche herausragende Spitzen schirmen ihre Umgebung von den gesputterten
Teilchen ab. Sehr hochenergetische Teilchen, wie Sauerstoffionen oder vom Target reflektierte,
neutralisierte Argonatome, können die aufwachsende Schicht durch Implantation schädigen
und so Defekte in der Schicht hervorrufen. Eine hohe Oberflächendiffusion fördert kompaktes
und kristallines Wachstum. Die Stärke der Diffusionsprozesse wird von der Aktivierungsenergie
und der Teilchenenergie bestimmt, die die Teilchen durch den Sputterprozess oder durch
zusätzliche thermische Anregung erhalten. Der Sputterdruck spielt bei der Teilchenenergie eine
entscheidende Rolle. Dies gilt sowohl für die Ar + -Ionen als auch die gesputterten Target-
Partikel. Die vorhandenen Ionen des Sputtergases Argon erhalten bei hohem Druck nur geringe
kinetische Energie, da die eingebrachte elektrische Leistung auf mehr Teilchen verteilt wird. Die
Argonionen können somit auch nur Teilchen mit vergleichsweise geringer Energie aus dem Target
herausschlagen. Auf dem Weg zum Substrat werden die gesputterten Teilchen durch Stöße
zusätzlich abgebremst, so dass der Energieeintrag in die aufwachsende Schicht reduziert wird.
Die gesputterten Partikel werden durch die Stöße im Plasma zusätzlich abgelenkt und sie treffen
vermehrt unter flachen Winkeln auf das Substrat auf. Der Abschattungseffekt aufgrund der
Oberflächenrauigkeit verstärkt sich, und im vergrößerten Schatten der angrenzenden Kristallite
entstehen schmale Hohlräume. Bei niedrigem Sputterdruck ist die freie Weglänge der gesputterten
Teilchen im Plasma so groß, dass sie ihre hohe kinetische Energie auf die aufwachsende
Schicht übertragen. Dort ermöglicht der hohe Energieeintrag ein Reorganisation der Schicht, so
dass die schichtbildenden Atome energetisch günstigere Positionen einnehmen können oder sogar
Teilchen von der Schicht rückgesputtert werden. Es entstehen kompakte Schichten, bei denen
die Abschattung nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Die aus diesen grundlegenden Prozessen resultierenden Einflüsse der Depositionsbedingungen
auf das Wachstum von gesputterten Metallen in Form von Mikrostruktur und Schichtmorphologie
sind in einem Strukturzonenmodell von Thornton zusammengefasst [Thornton (1974,
1986b)]. Dieses Modell basiert auf dem von Movchan und Demchishin (1969) vorgeschlagenen
3-Zonen-Modell für aufgedampfte Schichten und beschreibt das Schichtwachstum als Funktion
von Sputterdruck und der auf die Schmelztemperatur des Metalls normierten Substrattemperatur.
Abb. 2.8 zeigt schematisch die Mikrostruktur der gewachsenen Schichten sowie deren Oberflächenmorphologie
in einer Matrix mit den Achsen Sputterdruck und normierte Substrattemperatur
TS / Tm.
Das Thornton-Modell unterscheidet drei verschiedene Strukturzonen und einen Übergangsbereich
(Zone T), der von anderen Autoren der Zone 1 zugeschrieben wird [Messier et al.
(1984)]. In Zone 1 ist das Wachstum durch geringe Möglichkeiten zur Oberflächendiffusion
geprägt. Außerdem fördern Abschattungseffekte bei hohem Sputterdruck die Bildung von Hohl-