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Titannitrid- und Titan-Schichten für die Nano-Elektromechanik
(2007) Pritschow, Marcus; Höfflinger, Bernd (Prof. Dr.)
Auf dem Gebiet der mikro- und besonders der nanoelektromechanischen Systeme (MEMS/NEMS) gibt es viele neue Entwicklungen. In Kombination mit metallischen Funktionsschichten, die monolithisch in die Metallisierungsebenen von CMOS-Schaltkreisen integriert werden, haben sie großes Potenzial für neue Anwendungen. Entscheidend für diese Integration sind Materialien, die kompatibel zu den CMOS-Fertigungsprozessen sind und gute mechanische und elektrische Eigenschaften besitzen. Aus diesem Grund sind Titan und speziell Titannitrid (TiN) attraktive Werkstoffe. Sie werden hauptsächlich als Diffusionsbarriere in der Aluminium- und Kupfermetallisierung oder als Antireflexionsschicht in der optischen Lithographie eingesetzt. Über die Wechselwirkung unterschiedlicher Herstellbedingungen auf die Materialeigenschaften in mikro- und nanomechanischen Anwendungen ist aber bisher wenig veröffentlicht. In der vorliegenden Arbeit wurde das DC-Magnetron-Sputtern von dünnen Titan- und TiN-Schichten systematisch untersucht. Ein Schwerpunkt war die Fragestellung, wie die Schichtspannung und der spezifische Widerstand über einen weiten Bereich mit den Sputterparametern kontrolliert werden kann. Allgemein wurde festgestellt, dass ein Kompromiss zwischen geforderter Schichtspannung und elektrischem Widerstand der gesputterten Materialien geschlossen werden muss. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein zweistufiger Abscheideprozess entwickelt, der sich als vielversprechend für die Einstellung und Kontrolle der Materialspannungen erwiesen hat. Dieser Prozess wurde zur Fertigung von strukturierten Mikrobalken mit verschiedenen Kombinationen aus Titan und Titannitrid eingesetzt und getestet. Die Möglichkeit, Zugspannungen in reinem Titan zu erzeugen, stellte ein zuverlässiges Mittel zur Kompensation der Druckspannungen des Titannitrids dar. Je nach Verhältnis der Schichtdicken im Zweischichtsystem konnten damit die resultierenden Spannungen zwischen Zug und Druck eingestellt werden. Das ermöglicht Mikroaktuatoren mit maßgeschneiderten elektromechanischen Eigenschaften. Als Beispiel wurden elektrostatische Schalter aus Mikrobalken mit einer Dicke von 100 nm und einer Breite von 500 nm hergestellt, die Grundelemente hochintegrierter elektromechanischer Nanorelais sein können.