Diagnostik der Wachstumsprozesse von Bornitridschichten durch in situ Infrarot-Reflexionsspektroskopie

Abstract

Bornitrid (BN) Schichten wurden mit einem Hohlkatodenbogenverdampferverfahren unter Ionenbeschuss auf Silizium oder auf metallischen Substraten abgeschieden. Die IR-aktiven Phononenmoden der beiden möglichen Kristallmodifikationen kubisches BN (c-BN) und hexagonales BN (h-BN) sind spektral gegeneinander verschoben, so dass die Phase der aufwachsenden Schicht mit in situ IR Reflexionsspektroskopie bestimmt werden kann. Ziel der Beschichtungen war die Abscheidung möglichst phasenreiner c-BN Schichten. Die in situ IR Reflexionsspektren zeigen aber, dass h-BN immer in Form einer einige Nanometer dicken Zwischenschicht am Substrat auftritt. Zur quantitativen Auswertung wurde eine Simulation der in situ Spektren mit einem optischen Mehrschichtmodell durchgeführt, wobei die Wechselwirkung der IR Strahlung mit der BN Schicht durch das Lorentzsche Oszillatormodell beschrieben wird. Aus den Fits der Spektren konnten die Parameter Oszillatorstärke S = 2,2 x 10^6 cm^-2, Dämpfungskonstante gamma = 124 cm^-1 und Oszillatorfrequenz nu = 1060 cm^-1 bestimmt werden. Verglichen mit den entsprechenden Literaturwerten von einkristallinem c-BN (S = 2,65 x 10^6 cm^-2, gamma = 40 cm^-1, nu = 1056 cm^-1) zeigt gamma die stärkste Abweichung. Dies wird vermutlich durch die Streuung der Phononen an den Korngrenzen der nanokristallinen c-BN Schichten verursacht. Mit XRD konnte gezeigt werden, dass die Spannungen der hier untersuchten c-BN Schichten beim Tempern von 5,6 GPa auf 2,8 GPa abnehmen. Als mikroskopische Ursache für diese Spannungsrelaxation wird das Ausheilen von interstitiellen Punktdefekten vorgeschlagen. Eine Untersuchung der elastischen Eigenschaften ergab für den Elastizitätsmodul 500 GPa. Damit konnte eine spannungsinduzierte Frequenzverschiebung der transversal optischen Mode in c-BN Schichten von Delta nu = 6,6 cm^-1 pro GPa bestimmt werden.

Thin films of boron nitride (BN) were deposited with a hollow cathode arc evaporation device on silicon and on metallic substrates. Due to different phonon absorption frequencies of cubic BN (c-BN) and hexagonal BN (h-BN) the phase of the growing film can be observed in situ by Infrared Reflection Spectroscopy (IRRS). The aim of this work was focussed to the investigation of growth processes of almost pure c-BN films. Nevertheless a thin layer of h-BN is always observed during the initial phase of c-BN film growth by in situ IRRS. For a quantitative analysis the in situ IR reflection spectra have been simulated using optical multi layer techniques. The interaction of the IR radiation and the BN film is described by the Lorentz Oscillator Model. By fitting the spectra the parameters oscillator strength S = 2.2 x 10^6 cm^-2, damping constant gamma = 124 cm^-1 and oscillator frequency nu = 1060 cm^-1 could be determined. Compared to the literature values of single crystalline c-BN (S = 2.65 x 10^6 cm^-2, gamma = 40 cm^-1, nu = 1056 cm^-1) the parameter damping constant shows the biggest difference. This is probably caused by a strong scattering of phonons at the grain boundaries in the nanocrystalline c-BN films. XRD measurements have shown that the stress in c-BN films can be reduced due to annealing from 5.6 GPa to 2.8 GPa. The microscopic origin of this stress relaxation process during annealing is supposed to be the removal of intersticials. An analysis of the elastic properties has shown that the elastic modulus of c-BN films is about 500 GPa. Using this value a stress induced frequency shift of the transverse optical phonon mode of Delta nu = 6.6 cm^-1 per GPa could be determined.