Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4047
In dieser Arbeit werden Dünnschichten aus Barium-Strontiumtitanat (BST) und Lanthan-Calciummanganat
(LCM) amorph abgeschieden und mit Nanosekunden-UV-Laserpulsen gesintert.
Ziel ist es, die festkörperphysikalischen und prozesstechnischen Fragestellungen zu
untersuchen, die bei der Lasersinterung amorpher, elektrokeramischer Dünnschichten auftreten.
Neben der Lasersinterung wird weiterhin untersucht, unter welchen Bedingungen mit
UV-Lampen eine Sinterung der Dünnschichten erreicht werden kann.
Im Experiment werden amorphe Dünnschichten nasschemisch abgeschieden und mit Hilfe
von KrF oder ArF Excimerlasern oder einem Nd:YAG Laser gesintert. Durch Anpassung der
Schichtdicken gelingt es, die Schädigung der keramischen Dünnschichten durch die Laserbearbeitung
zu vermeiden. Planare Teststrukturen werden hergestellt und strukturell und elektrisch
charakterisiert. Die Charakterisierung der BST Dünnschichten ergibt deutlich verbesserte
dielektrische Eigenschaften gegenüber den amorphen Dünnschichten. Der Realteil der
Dielektrizitätszahl kann bei lOkHz um das drei bis fünffache angehoben werden, während
der Imaginärteil um fast eine Größenordnung sinkt. Die in der amorphen Phase isolierenden
LCM Dünnschichten werden durch die Laserkristallisation halbleitend (~Ωcm). Weiterhin
können die Laserparameter mit Daten der elektrischen Charakterisierung korreliert werden.
Die chemische Analyse ergibt, dass durch die Lasersinterung die Stöchiometrie der Dünnschichten
nicht signifikant verändert wird. Die laser-induzierten Veränderungen verlaufen
analog zu der Kristallisation der amorphen Schichten im Diffusionsofen . Parallel zur experimentellen
Arbeit wird ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, welches auf der Basis
der Wärmeleitung, der Johnson-Mehl-Avrami Kristallisationskinetik und der Thermoelastizität
den Lasersinterungsprozess modelliert. Die Simulationsrechnungen werden mit den Analyseergebnissen
der Laserbehandelten Proben korreliert .
In the present work, thin films of barium-strontium-titanate (BST) and lanthanum-calcium-manganite
(LCM) are deposited amorphously and sintered with nanosecond UV laser pulses .
The aim is to investigate fundamental aspects of the solid-state physics and process technology
during the laser sintering of amorphous, electroceramic thin films. The conditions under
which a sintering of the thin films can be achieved with UV lamps are also investigated .
The experimental approach consists in the wet-chemical deposition of amorphous films sintered
by a KrF or ArF excimer laser or a Nd :YAG laser. Adjusting the film thicknesses avoids
damage to the Ceramic thin films by the laser treatment. Planar test structures are manufactured
and characterized structurally and electrically . The characterization of the BST films
results in clearly improved dielectric properties in contrast to the amorphous films. The real
pari of the dielectric constant can be raised three- to fivefold at 10kHz, while the imaginary
pari decreases by nearly an order of magnitude. The LCM films, which are electrically insulating
in the amorphous phase, become semiconducting by laser crystallization (~Ωcm).
Furthermore, the laser parameters can be correlated with data from the electrical characterization
. The chemical analysis does not indicate any significant changes in the stoichiometry
of the thin films due to the laser process. The laser-induced changes proceed in a similar
manner to the crystallization of the amorphous films in the furnace. Parallel to the experimental
work, a numerical simulation model is developed, which, an the basis of the thermal
conduction, the Johnson-Mehl-Avrami crystallization kinetics and the thermoelasticity, models
the temperature, the crystallization and the mechanical load an the thin films. The simulation
calculations are correlated with the results of the analysis of the laser-treated samples.
Baldus, Karl Josef Oliver
Lasersinterung keramischer Dünnschichten
114 S., 2003
Elektrokeramische Materialien mit Perowskitstruktur besitzen aufgrund ihrer elektrischen
Eigenschaften ein großes Anwendungspotential in der Mikroelektronik. Daher werden Technologien
erforscht, mit denen die Perowskite als dünne Schichten in die Halbleiter-Bauelemente
integriert werden können . Für die Integration der elektrokeramischen Dünnschichten
in die Siliziumtechnologie ist die Etablierung eines Tieftemperatur-Prozesses, mit
Abscheidetemperaturen von maximal 450°C von großem Nutzen, um Grenzflächenreaktionen
des Substrates mit der dielektrischen Schicht und die Ausbildung von intermetallischen Phasen
im Bauteil zu vermeiden. Dem entgegen steht die Mindestkristallisationstemperatur der
Titanate und verwandter Materialien von mindestens 600°C. Die Ursache für das Interesse
an der Lasersinterung von oxidischen Schichten, die bei tiefen Temperaturen amorph abgeschieden
werden, liegt in den zusätzlichen Freiheitsgraden im Vergleich zur Wärmebehandlung
in konventionellen Diffusionsöfen . Diese umfassen Variationen in der Bestrahlungszeit
(fs bis s), Bestrahlungsfläche (10nm2 bis 4cm2) und Bestrahlungstemperatur
(1K. .Verdampfung). Hierbei kann durch die kurzzeitige Wechselwirkung zwischen der Strahlquelle
und der Schicht die thermische Belastung des Substrates minimiert werden .
Electroceramic materials have a large application potential in microelectronics due to their
electrical properties . Technologies are therefore being investigated for the deposition of the
ceramics as thin films into semiconductor components . The establishment of a very low-temperature
process is advantageous for the integration of electroceramics into silicon technology
. Deposition temperatures of at maximum 450°C are necessary in order to avoid interface
reactions of the substrate with the dielectric layer and the formation of intermetallic
phases in the electronic component. The minimum crystallization temperature of the titanates
and related materials of at least 600°C comes into conflict with this requirement. The
reason for the interest in the laser sintering of oxidic thin films, which are amorphously cb-posited
at low temperatures, is the additional degrees of freedom in comparison to the
thermal treatment in a conventional furnace. These additional degrees of freedom comprise
variations in the irradiation time (fs to s), irradiated area (10nm2 to 4cm2) and the temperatures
achieved (lk. .evaporation). The laser process thus enables the thermal load an
the substrate to be reduced by minimizing the integaction time between the heating source
and the ceramic layer.
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