1. For this and many more thesis, visit
the free download area on:
http://www.surfacetreatments.it/
http://www.slideshare.net/PalmieriProfEnzo

2. UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PADOVA
Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
Corso di Laurea in Scienza dei Materiali
Studio di fattibilità della deposizione
via magnetron sputtering reattivo
di film sottili a spessore nanometrico
di nitruro di titanio
per finestre a radiofrequenza
Tesi di Master del Dott. Andrea Frigo
Relatore: prof. V. Palmieri

3. Sommario:
 Finestre RF
 TiN: caratteristiche e proprietà
 Metodo di deposizione: sputtering reattivo
 Caratterizzazione chimico-fisica dei film di TiN

4. Finestre RF
Separano due zone a pressione e temperatura diversa consentendo allo
stesso tempo il passaggio di una radiazione elettromagnetica RF
Finestra in Allumina
Alloggiamento in rame
della finestra
Power coupler TTF - III

5. Finestre RF
ALLUMINA:
•Basse perdite RF
•Basso tasso di degasaggio
•Resistente ad alte
temperature
•Resistente alle
sollecitazioni meccaniche
H. Matsumoto

6. Rottura delle finestre RF di Al2O3
 1-100 MW Fenomeno del Multipacting
• Emissione di elettroni secondari eccessivo
riscaldamento superficiale
• si verifica durante il passaggio di radiazione RF se il
coefficiente di emissione di e- secondari è maggiore di 1
 30-250 MW Fusione superficiale localizzata
Causata da una valanga di elettroni originati in
corrispondenza di un difetto della finestra
Fusione e rottura S. Michizono

7. Eliminare il Multipacting…
Rivestimento superficiale dell’allumina con
materiali a coefficiente di emissione di
elettroni secondari minore di uno:
Ti, TiN, Cr2O3
Film troppo spessi
Film troppo sottili non provocano riscaldamento da
sopprimono l’emissione perdita ohmica
Ottimizzare lo spessore
10-1000 nm

8. NITRURO di TITANIO
• conduttivo
• chimicamente stabile
• materiale duro
Campi di utilizzo:
- utensili da taglio
- rivestimenti in campo biomedico
- decorazione e protezione di arredamento da esterno
- protezione di superfici sottoposte ad usura
- industria dei semiconduttori

9. Campi di utilizzo:
- utensili da taglio
- rivestimenti in campo biomedico
- decorazione e protezione di arredamento da esterno
- protezione di superfici sottoposte ad usura
- industria dei semiconduttori

10. Sputtering reattivo
Sputtering di un target monoelemento
in presenza di un gas reattivo, nel nostro
caso N2, che forma un composto
L’azoto reagisce sul L’azoto reagisce sul
substrato formando il target: si abbassa lo
composto desiderato sputtering rate
“Avvelenamento”
del target

11. Sputtering reattivo
Il composto cresce
sulla superficie del
target e riduce lo
sputtering rate
La pressione Il film cresce
parziale del più lentamente
gas reattivo e utilizza meno
cresce gas reattivo
“Avvelenamento”
del target

12. Sputtering reattivo
Flusso totale di
gas reattivo
q0 qt qc qp
Flusso pompato
di gas reattivo
qp pN S
Schema di un sistema per sputtering reattivo

13. Sputtering reattivo
Descrizione
matematica
Stato stazionario durante la deposizione
dN J
= 2at F(1- q1 ) - S N q1
dt e

14. L’isteresi…
Regione di
isteresi
Tipica curva sperimentale per processi di sputtering reattivo
S.Berg

15. Scopo:
Deposizione di film stechiometrici di TiN con spessore
fisso uniforme su tutta la superficie (800 - 10 nm)
su
Disco Al2O3 Cilindro Al2O3
(Ø 50.8 mm, spessore 3.2 mm) (Ø 50 mm, altezza 60 mm)
Alta purezza 99.7%

16. Camera per deposizioni
MAGNETRON ROTANTE 10”
PARAMETRI OPERATIVI
per la deposizione di TiN
Target Ti (purezza 99,95 %)
Pressione di base 3*10-6 mbar
Gas di processo : Ar
Gas reattivo : N2

17. Procedura
• pressione parziale di N2 e Ar
1. • distanza target-substrato TiN stechiometrico
(quarzi 9x9 mm)
• potenza degli alimentatori
TiN stechiometrico
2. • posizione del substrato su tutta la superficie
(vetro 50x50 mm)
• controllo dei parametri e
3. ottenere lo spessore
• riproducibilità delle deposizioni
desiderato
(10 e 800 nm)
4. • determinare deposition rate

18. Procedura
• pressione parziale di N2 e Ar
1. • distanza target-substrato TiN stechiometrico
(quarzi 9x9 mm)
• potenza degli alimentatori
TiN stechiometrico
2. • posizione del substrato su tutta la superficie
(vetro 50x50 mm)
• controllo dei parametri e
3. ottenere lo spessore
• riproducibilità delle deposizioni
desiderato
(10 e 800 nm)
4. • determinare deposition rate

19. Deposizioni preliminari su quarzi
(Distanza target-substrato 134 mm
distanza substrato respetto all’asse 105 mm)
n pAr pN 2 t dep. Colore Colore Spessore R
I (A) V(V) P(kW)
dep (mbar) (mbar) (min) plasma del film (μm) (Å/sec)
2 1.0 ∙ 10-2 1.2 ∙ 10-3 4 584 2.4 2 fucsia grigio -- --
Pressione crescente di N2
bianco- grigio
3 8.0 ∙ 10-3 2.0 ∙ 10-3 8 491 4.0 30 -- --
verde scuro
4 9.5 ∙ 10-3 2.7 ∙ 10-3 3 515 3 25 bianco dorato -- --
marrone
6 8.0 ∙ 10-3 3.0 ∙ 10-3 5.8 520 3 20 bianco 0.8 6.7
chiaro
9 8.0 ∙ 10-3 3.4 ∙ 10-3 3.7 525 3 25 bianco marrone 1.4 8.4
Aumento della
pressione parziale
Film da grigio a
dell’azoto dorato a marrone

20. Tecniche di analisi
FISICHE Spessore del film: profilometro
Stechiometria: XRD
CHIMICHE Analisi elementare qualitativa: SIMS
Analisi chimica di superficie: ESCA

21. Profilometro
Profilometro Veeco modello Dektat 8

22. XRD
PHILIPS X-Pert Pro

23. Counts
XRD
Counts
Sample 14
TIN14P~2.CAF
10000
TiN Ti
5000
Ti N
Ti N
Ti N
Ti
Ti N
Ti N
Ti
Ti
0
20 25 30 35
Position (2 θ)
Position [ºTheta]
Spettro di intensità di raggi X diffratti vs angolo 2θ

24. Analisi diffrattometrica per ottimizzare la
Counts
stechiometria
TiN0,76
Counts
Picco (211)
Sample 8
TiN8penta.CAF
8000
TiN
TiN0,61
Ti N.76
Ti N0.61
Ti N
6000
Formula Picco (211)
d-spacing
Chimica 2Teta
4000
TiN 36.663 2.44017
TiN 0,76 36.726 2.44508
TiN 0,61 36.774 2.44205
2000
Film grigio scuro
0
36 36.50 37 37.50 38
Position (2 θ)
Position [°2Theta]
Alzare pressione di azoto
FILM SOTTO-STECHIOMETRICO

25. Analisi diffrattometrica per ottimizzare la
Counts
stechiometria
Counts
TiN0,76
Sample 13
TiN13bis.CAF
Ti N0.61
Ti N.76
TiN
Ti N
6000
TiN0,61
4000
Pressione N2 in aumento
2000
Film dorato
0
36 36.50 37 37.50 38
Position (2 θ)
Position [°2Theta]
Alzare pressione di azoto
FILM SOTTO-STECHIOMETRICO

26. Analisi diffrattometrica per ottimizzare la
Counts
stechiometria
Counts
Sample 10
TiN0,76
4000 TiN10.CAF
TiN
Ti N0.61
Ti N
Ti N.76
3000
TiN0,61
2000 Pressione N2 in aumento
1000
Film marrone
0
36 36.50 37 37.50 38
Position (2 θ)
Position [°2Theta]
FILM STECHIOMETRICO!

27. Procedura
• pressione parziale di N2 e Ar
1. • distanza target-substrato TiN stechiometrico
(quarzi 9x9 mm)
• potenza degli alimentatori
TiN stechiometrico
2. • posizione del substrato su tutta la superficie
(quarzi su diverse posizioni)
• controllo dei parametri e
3. ottenere lo spessore
• riproducibilità delle deposizioni
desiderato
(10 e 800 nm)
4. • determinare deposition rate

28. Deposizione di campioni a differenti
distanze dal centro

29. Dall’analisi degli spessori:
rate di sputtering vs distanza dal centro
60
50
40
R (nm/min)
30 Zona a maggiore
uniformità
20
10
Qui depositeremo il disco di Al2O3
0
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Distanza dal centro (cm)

30. Dall’analisi XRD:
distanza tra i piani 211 vs distanza dal centro
Distanza tra i piani reticolari 211 vs posizione
.
2,453
Distanza tra piani reticolari (A)
2,451
2,449
2,447
2,445
2,443
2,441
2,439
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Distanza dal centro (cm)

31. Dall’analisi XRD:
distanza tra i piani 211 vs distanza dal centro
Distanza tra i piani reticolari 211 vs posizione
.
2,453
Distanza tra piani reticolari (A)
2,451
d = 2,449 Å TiN
2,449
2,447
d = 2,445 Å
TiN 0,76
2,445
2,443
TiN 0,61
2,441
d = 2,442 Å
2,439
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Distanza dal centro (cm)

32. Dall’analisi XRD:
distanza tra i piani 211 vs distanza dal centro
Distanza tra i piani reticolari 211 vs posizione
.
2,453
Campioni con
Distanza tra piani reticolari (A)
2,451
distanza reticolare
TiN
prossima a quella del
2,449
TiN
2,447
TiN 0,76
2,445
2,443
Qui depositeremo il
2,441
2,439 disco di Al2O3
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Distanza dal centro (cm)

33. Deposizioni su superficie verticale

34. Deposizioni su superficie verticale
Variazione di spessore vs distanza dal target
per campione veticale
1750
1500
.
Spessore del film (nm)
1250
1000
y = -7,3x + 2004
750
R2 = 0,9291
500
distanza campione-
250 centro del target 10,5 cm
0
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
Distanza dal target (mm)

35. Deposizioni su superficie verticale
Variazione percentuale di spessore vs distanza dal target
per campione veticale
120 25% dalla media
percentuale di cambiamento (%) .
110
Deposizione
100 in 2 step
90 distanza campione - centro del
target 10,5 cm
80
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
Distanza dal target (mm)

36. Procedura
• pressione parziale di N2 e Ar
1. • distanza target-substrato TiN stechiometrico
(quarzi 9x9 mm)
• potenza degli alimentatori
TiN stechiometrico
2. • posizione del substrato su tutta la superficie
(vetro 50x50 mm)
• controllo dei parametri e
3. ottenere lo spessore
• riproducibilità delle deposizioni
desiderato
(10 e 800 nm)
4. • determinare deposition rate

37. In conclusione per Al2O3
Parametri di processo:
pN2 = 3.4 • 10-3 mbar
pAr = 8.0 • 10-3 mbar
9X9 mm TiN quarzo depositato
Posizione del substrato:
substrato di alumina
6 cm dal centro (dischetti) ø 45 mm prima della deposizione
centrato (cilindri)
Tempo di deposizione:
12 sec (10 nm)
16 min 46 sec (800nm)

38. DISCHI
dopo la deposizione
10 nm 800 nm

39. CILINDRI
dopo la deposizione
10 nm 800 nm

40. Analisi SIMS sui campioni finali
Spettro degli ioni
positivi a più alta
concentrazione
Analisi eseguita dal laboratorio SCIENCE et SURFACE

41. Analisi SIMS sui campioni finali
[1] Questo ione proviene dalla sorgente di ioni primari utilizzata.

42. Analisi SIMS sui campioni finali
Profilo di profondità di alcune specie positive

43. Analisi ESCA sui campioni finali
1) Analisi quantitativa ed elementare
Entro i limiti di sensibilità della tecnica (0.1 to 0.5% At.),
non sono stati rilevati altri elementi (H and He non-rilevabili):
Analisi eseguita dal laboratorio SCIENCE et SURFACE

44. Analisi ESCA sui campioni finali
1) Analisi quantitativa ed elementare
2) Formula Chimica degli elementi rilevati
Picco C 1s
del carbonio

45. Conclusione
• ricerca sulla tecnica di deposizione reactive
sputtering e studio dell’applicabilità alle finestre RF
• 20 deposizioni preliminari per determinare i
parametri ottimali di deposizione
• analisi comparata profilometro e XRD per
dare una stima della composizione effettiva
• analisi SIMS e ESCA sui campioni finali

46. Conclusione
DALLE ANALISI ESCA E SIMS
SULLE FINESTRE DEPOSITATE
TiN x con x ~ 1
TiN
(+TixCy +Tix’+Cy’Nz’ +Tix’’Oy’’Nz’’)
SUBSTATO
(allumina)

47. For this and many more thesis, visit
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