Study of Thermal and Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition of AlN and Al2O3/TiO2 Films for Diverse Applications

Thumbnail Image
Files
isbn9789526083667.pdf (1.49 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-01-18
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2019
Department
Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Department of Electronics and Nanoengineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 64
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 4/2019
Abstract
Atomic layer deposition (ALD) has become widely utilized and researched technique for highly conformal and precise thickness controlled thin film fabrication. Due to these inherent advantages, ALD has been applied for diverse applications such as memories, logic and solar cells etc. This thesis presents research of certain plasma enhanced ALD (PEALD) and thermal ALD thin films with a focus on the effect of process parameters on the material properties. Mechanical properties of PEALD aluminum nitride films (mainly trimethylaluminum (TMA) and ammonia processes) were studied and supported with structural and compositional analysis. The study showed that higher deposition temperature and capacitively coupled plasma bias voltage improved density and impurity incorporation of the films, consequently positively influencing coating hardness and elastic modulus. Also, tensile stress magnitude was found to increase with temperature and high bias voltage lead to slightly compressive film. Moreover, adhesion and tribological behavior were determined but no marked correlation to process conditions were established. PEALD AlN was also studied with an inductively coupled plasma source and TMA/N2:H2 precursor chemistry with a focus on structural and compositional annealing (400–1000 °C) behavior of the films. Results showed outgassing of hydrogen, slight oxidation despite the vacuum environment and likely hydrolysis of the AlN films due to annealing. The films maintained their amorphous structure and their thickness reduced. The third studied AlN PEALD chemistry of AlCl3/NH3 employed a high process temperature (~500 °C). The developed process produced (002) preferential crystallinity, very low impurity concentration and high mass density films. In addition, the residual stresses of the films were found controllable by plasma exposure time and varied from slightly tensile to strongly compressive. ALD of consecutive bilayers of Al2O3/TiO2 (aka a nanolaminate) was investigated together with a physical vapor deposition (PVD) hard coating for wear resistant anticorrosive protection of steel. First, the corrosion resistance capability of the ALD nanolaminate improved with increased thickness and with plasma pretreatments which increased coating adhesion. Endurance against detrimental corrosion current was increased with two orders of magnitude with these hybrid films in comparison to the bare steel. In the follow-up study, the hybrid film samples were exposed to subsequent wear-corrosion environments showing that the anticorrosion protection was maintained at a high level despite the top-most ALD nanolaminate was completely removed. It can be concluded that the ALD nanolaminate encapsulates conformally the PVD coatings pinholes and defects which act as the main pathways for corrosion currents.

Atomikerroskasvatuksesta (engl. ALD) on tullut laajasti hyödynnetty ja tutkittu tekniikka hyvin konformaalisten ja tarkasti paksuussäädeltyjen ohutkalvomateriaalien valmistukseen. Johtuen näistä ALD:n ominaishyödyistä, sitä on sovellettu laajasti muun muassa muisti-, logiikka- ja aurinkokennosovelluksissa. Tämä väitöstyö esittää tutkimusta tietyistä plasma-avusteisista (engl. PEALD) ja termisistä ALD ohutkalvoista keskittyen hallittavien prosessiolosuhteiden materiaaliominaisuusvaikutuksiin. PEALD AlN ohutkalvojen (pääasiassa trimetyylialumiini (TMA) ja NH3 prosessilla) mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin ja niitä tuettiin rakenteellisilla ja koostumuksellisilla analyyseilla. Osoitettiin että korkeat kasvatuslämpötilat ja kapasitiiviset plasmajännitteet paransivat ohutkalvojen tiheyttä ja epäpuhtausmääriä, parantaen näin ollen kovuutta ja Youngin modulia. Myös, vetojännityksen suuruuden näytettiin kasvavan lämpötilan funktiona ja korkea plasmajännite johti pieneen puristavaan jännitykseen. Lisäksi, ohutkalvojen adheesio- ja tribologiaominaisuudet määritettiin mutta selkeää korrelaatiota prosessiparametreihin ei ollut. PEALD AlN:ä tutkittiin myös induktiivisesti kytketyllä plasmalähteellä (engl. ICP) ja TMA/N2:H2 prekursorikemialla, jossa fokuksena oli ohutkalvojen rakenteellinen ja koostumuksellinen käyttäytyminen tyhjiölämpökäsittelyn (400–1000 °C) johdosta. Lämpökäsittelyn todettiin aiheuttavan vedyn ulosvirtausta, pientä hapettumista ja todennäköisesti hydrolyysiä. AlN kalvot myös säilyttivät amorfisen rakenteensa ja osoittivat alentunutta paksuutta. Kolmas tutkittu AlN prosessi tehtiin ICP-lähde PEALD:lla ja AlCl3/NH3 prekursoreilla korkeissa prosessilämpötiloissa (~500 °C). Kehitetty prosessi tuotti ensisijaisesti (002)-kiteisiä, alhaisten epäpuhtausmäärien ja korkean tiheyden ohutkalvoja. Lisäksi ohutkalvojen jännityksen löydettiin olevan hallittavissa plasma-ajalla pienestä vetojännityksestä merkittävään puristusjännitykseen. Toistuvia ALD-Al2O3/TiO2 kaksoiskerroksia (alias nanolaminaatteja) tutkittiin fyysisen höyrykasvatus (engl. PVD) kovapinnoitteen kanssa kulutusta kestäviksi korroosiosuojiksi teräkselle. Ensimmäiseksi, ALD nanolaminaatin korroosiosuojaussuorituskyky parani käyttämällä paksumpia kalvoja ja plasmaesikäsittelyä, joka myös lisäsi adheesiota. Näillä hybridiohutkalvoilla saavutettiin noin satakertaa alemmat korroosiovirtatiheydet kuin pelkällä teräksellä. Seuraavassa tutkimuksessa, hybridikalvonäytteet altistettiin peräkkäisille kulutus-korroosio-ympäristöille, joiden tuloksena kalvojen korroosiosuojaus pysyi korkealla tasolla vaikka pinta-ALD nanolaminaatti oli kokonaan kulutettu pois. Voidaan päätellä ALD nanolaminaatin pinnoittavan konformaalisesti PVD pinnoitteen reiät ja rakennevirheet, jotka muuten toimisivat korroosiovirtojen pääasiallisena kanavana teräkselle.
Description
Supervising professor
Lipsanen, Harri, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Suihkonen, Sami, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
atomic layer deposition, plasma enhanced atomic layer deposition, AlN, Al2O3, TiO2, material properties, atomikerroskasvatus, plasma-avusteinen atomikerroskasvatus, materiaaliominaisuudet
Other note
Parts
  • [Publication 1]: P. Sippola, A. Pyymaki Perros, O.M.E. Ylivaara, H. Ronkainen, J. Julin, X. Liu, T. Sajavaara, J. Etula, H. Lipsanen, R.L. Puurunen. Comparison of Mechanical Properties and Composition of Magnetron Sputter and Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition Aluminum Nitride Films, Journal of Vacuum Science & Technology A, 36, 051508, 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808214635
    DOI: 10.1116/1.5038856 View at publisher
  • [Publication 2]: M. Broas, P. Sippola, T. Sajavaara, V. Vuorinen, A. Pyymaki Perros, H. Lipsanen, M. Paulasto-Kröckel. Structural and chemical analysis of annealed plasma-enhanced atomic layer deposition aluminum nitride films, Journal of Vacuum Science & Technology A, 34, 041506, 2016.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201710136990
    DOI: 10.1116/1.4953029 View at publisher
  • [Publication 3]: V. Rontu, P. Sippola, M. Broas, G. Ross, T. Sajavaara, H. Lipsanen, M. Paulasto-Kröckel, S. Franssila. Atomic layer deposition of AlN from AlCl3 using NH3 and Ar/NH3 plasma, Journal of Vacuum Science & Technology A, 36, 021508, 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014183
    DOI: 10.1116/1.5003381 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Leppaniemi, P. Sippola, M. Broas, J. Aromaa, H. Lipsanen, J. Koskinen. Corrosion protection of steel with multilayer coatings: improving the sealing properties of Physical Vapor Deposition CrN coatings withAl2O3/TiO2 Atomic Layer Deposition nanolaminates, Thin Solid Films, 627, 59-68, 2017.
    DOI: 10.1016/j.tsf.2017.02.050 View at publisher
  • [Publication 5]: J. Leppaniemi, P. Sippola, J. Aromaa, H. Lipsanen, J. Koskinen. Effect of surface wear on corrosion protection of steel by CrN coatings sealed with Atomic Layer Deposition, ACS Omega, 3, 1791-1800, 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201803161748
    DOI: 10.1021/acsomega.7b01382 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8366-7
Collections
[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC