Stress and microstructure of sputter deposited thin copper and Nnobium films

Abstract

Thin film technology has wide applications in science and engineering industry. Cu and Nb have active relevance in micro-electromechanical systems (MEMS). For Cu thin films, as a possible replacement of Al in the metallisation of substrates while in the case of Nb thin films, its relevance comes to bear in corrosion resistance engineering needs and its superconductivity. The optimal use of these thin film materials lies in tailoring their properties to meet demands for their usage. Grain morphology, texture and stress constitute significant aspects of thin film properties. In the present work priority is to investigate the impact of thin film sputter deposition conditions, the nature of substrate and aging on these properties. Cu and Nb films of various thickness ranges (5 – 1000 nm) were produced by magnetron sputter deposition on two commercially available Si based amorphous substrates, SiO2 and Si3N4, under ultra high vacuum conditions. The as-deposited thin films were investigated by X-ray diffraction (XRD), X-ray reflectometry, auger electron spectroscopy (AES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM) and focussed ion beam (FIB) imaging. Sputter cleaning of the substrates at various ion acceleration voltages prior to film deposition was observed to markedly impact on microstructure, texture and stress states owing to the physical (surface roughness) and chemical changes (reduction in contaminant content) on the cleaned substrates. With increase of the ion acceleration voltage the morphology of the ultrathin (5 nm thick) Cu films, which at this thickness were still at the coalescence stage of film growth, changed from larger sized islands to smaller sized islands. For the thicker films a grain morphology change from irregular geometries to columnar structures occurred with the application of substrate sputter cleaning prior to film deposition. This change was accompanied by a reduction in the average grain size from about 1000 nm (only for films on uncleaned substrates) to 300 nm (for films on sputter cleaned substrates). Of novel significance though is that microstructural changes in thin films are achievable at a constant deposition temperature and pressure. A structure zone model developed by J. A. Thornton in 1975 which describes the physical manifestations of thin film microstructure during sputter deposition ascribes morphology changes to temperature and pressure factors. Clearly this is not the case for the present Cu films where the substrate has also been found to significantly influence the film morphology, though it is noted that the model was developed using film thicknesses between 20 to 250 micrometer. Furthermore, in both Cu films and Nb films, a thickness dependency exists whereby the lateral dimensions of grains increases with the thickening of thin films during the growth process. Texture characterisation involved the use of Theta/2Theta scans and pole figure measurements with the powder diffraction (Theta/2Theta) scans more accurately accounting for the presence of a random component while the pole figure measurements fully account for the sharpness of a particular texture component. For the Cu films the {111} fibre texture was the primary component while for the Nb films the {110} fibre was dominant. The films deposited on Si3N4 substrates showed sharper (i.e. a decrease in the value of the HWHM) textures than those deposited on SiO2 substrates. Sputter cleaning of the substrates prior to film deposition markedly sharpened the texture of the films except for the Cu films deposited on SiO2 substrates where no effect of significance was observed. A mechanism is proposed that accounts for the glaring difference in the texture of films deposited on amorphous SiO2 and amorphous Si3N4 substrates. From the residual stress values determined by the XRD sin-sq-psi method, the intrinsic stresses in Cu and Nb films were calculated by subtracting the thermal stress and found to be of compressive nature, though for the ultrathin Cu films a tensile stress regime originating from the coalescence processes during film growth prevailed. A key-driving factor in the development of stress in the Cu films deposited is the evolution of film morphology. In the Nb films, oxide formation at the grain boundaries close to the surface causes a high compressive stress parallel to the film. For ultrathin Nb films a highly compressive stress is generated (in the order of a few GPa). As the film thickness is increased, at a constant penetration depth of oxygen to form oxides at the film GBs, the measured stress, representing an average over the volume, is less in magnitude.

Dünne Filme werden in vielen technischen Bereichen angewendet. Aktuelle Entwicklungsarbeit ist z.B. auf ihren Einsatz in mikro-elektromechanischen (MEMS) und nano-electromechanischen (NEMS) Anwendungen gerichtet. Die zunehmenden Forschungsaktivitäten, die auf das Verständnis der Eigenschaften von dünnen Filmen gerichtet sind, haben zur Entwicklung von verbesserten und neuen analytischen Methoden geführt. Die Mikrostruktur, d.h. die Morphologie und die kristallografische Textur, und besonders die inneren Spannungen sind Eigenschaften, die für das Verhalten von dünnen Filmen in technischen Anwendungen wichtig sind. Die systematische Untersuchung der Zusammenhänge zwischen diesen Eigenschaften und deren Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen ist Gegenstand aktueller Forschung. Für den Zusammenhang zwischen der Morphologie (Kornstruktur) und den Herstellungsbedingungen (Temperatur und Druck des Sputtergases) von gesputterten Metallschichten (im Dickenbereich von 20 mikrometer bis 250 mikrometer) liegt in der Literatur ein idealisiertes Struktur-Zonen-Modell vor. Jedoch ist über den Einfluß der Art und der Beschaffenheit des Substrates auf die Morphologie, besonders von sehr dünnen Metallfilmen, noch wenig bekannt. Dünne PVD Schichten weisen oft eine ausgeprägte kristallografische Fasertextur auf. Aus der Betrachtung der Oberflächenenergien wurde in der Literatur gezeigt, warum bei Filmen aus fcc Metallen bevorzugt eine {111} Textur vorliegt, während bcc Metalle meistens eine {110} Textur ausbilden. Die Details solcher Texturen, d.h. deren Stärke (gemessen am Vorliegen von Komponenten mit anderer kristallografischer Orientierung) und deren Schärfe (gemessen am Bereich der Verkippung der Kristallite gegenüber der idealen Richtung), können von den Herstellungsparametern abhängen und somit gezielt beinflusst werden. Auch hier ist über den Einfluß des Substrates noch wenig bekannt. Innere Spannungen in dünnen Schichten entstehen während des Wachstums und unter Umständen während des Abkühlprozesses von der Herstellungstemperatur auf Raumtemperatur. Für die Entstehung von Wachstumsspannungen (im Zug- oder Druckbereich) werden in der Literatur verschiedene Mechanismen angeführt, wie der Einbau von Atomen des Sputtergases, der sogenannte “atomic peening” Effekt und interatomare Kräfte im Anfansstadium des zwischen den Inseln und während des Wachstums über die Korngrenzen hinweg. In Metallschichten, die nach Herstellung der Umgebung ausgesetzt werden, können durch Reaktion mit dieser (z.B. durch Einbau von Sauerstoff) innere Spannungen aufgebaut werden. Hier ist der Kenntnisstand noch nicht sehr tief. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die systematische Untersuchung der Mikrostruktur, der Textur und der inneren (Makro- und Mikro)-Spannungen in dünnen Metallschichten, die durch Magnetronsputtern hergestellt wurden. Insbesondere Zusammenhänge zwischen diesen Eigenschaften sollten studiert werden. Als repräsentative Systeme wurden ein fcc Metall (Kupfer) und ein bcc Metall (Niob) ausgewählt. Um möglichst umfangreiche Informationen zu erhalten, wurde eine breite Palette verschiedener Untersuchungsmethoden eingesetzt. Einflüsse der Art und der Vorbehandlung des Substrates auf die Eigenschaften der darauf abgeschiedenen Schichten mit sehr unterschiedlicher Dicke (angefangen von 5 nm dicken Schichten) waren ein Schwerpunkt der Arbeit. Dazu wurden zwei Substrattypen, amorphes SiO2 und amorphes Si3N4, sowohl im unbehandelten Zustand, als auch nach Reinigung mit Ar Ionen, ausgewählt. Die erarbeiteten Ergebnisse sollen einen Beitrag liefern zur Vorhersage und der gezielten Einstellung der Eigenschaften von dünnen gesputterten Metallfilmen.