Microstructure optimization of atomic layer deposited chromium-containing ternary compound thin films

Abstract

Kroomoksiid on tehnoloogiliselt oluline materjal oma suure kõvaduse, kulumiskindluse, korrosioonikindluse ja termilise vastupidavuse tõttu. Need omadused muudavad selle materjali kasulikuks näiteks mikroelektroonikas, MEMS-seadmetes ning kaitsvates ja optilistes katetes. Kahekomponentse kroomoksiidi (Cr-O) baasil valmistatud kilede ja katete rakendusvaldkonna avardamiseks ja tema füüsikalis-keemiliste omaduste parendamiseks kasutatakse üha rohkem kahekomponentse materjali viimist kolmekomponentseks (Cr-Me-O), kus kroomoksiidile lisatakse veel teiste metallide (näiteks Ti, Al, Zr, Cu, Hf) oksiidid. Sellised multikomponentsed materjalid võimaldavad muuta aine mikrostruktuuri (näiteks kristalliitide mõõtmed, amorfse ja kristallilise faasi vahekord) ja seeläbi ka matejali mehaanilisi, optilisi ja termilisi omadusi. Kuna aatomkihtsadestatud (ALD) üliõhukeste (paksus 10–100 nm) kroomi sisaldavate multikomponentsete oksiidkilede uuringud on vähe tehtud, siis seosed valmistamistingimuste, koostise, mikrostruktuuri ja omaduste vahel ei ole veel piisavalt teada. Antud doktoritöös uuriti erinevate Cr-Me-O tüüpi (Me=Ti, Al, Hf) õhukeste kilede ALD kasvatustingimuste ja nende füüsikaliste omaduste (struktuur, kõvadus, elastsus, murdumisnäitaja, optiline neeldumine, kuumakindlus) vahelisi seoseid. Tehti kindlaks, et Cr-Me-O tüüpi kiled on suurema kulumiskindlusega, võimaldavad saada teistsuguseid optilisi omadusi, või omavad suuremat termilist stabiilsust võrreldes Cr-O tüüpi kiledega. Näiteks Cr-Al-O kilede sisestruktuuri muutuste ilmnemist piirtemperatuur kasvas vähemalt 400 °C võrra (alates 500 °C Cr-O kilede korral). Töö näitas ka seni ALD protsessides kasutamist mitte leidnud lähteaine Cr(thd)3 abil tehtavate sadestusprotsesside head korratavust Cr-O kilede kasvatamisel.

Chromium oxide is a technologically important material due to its high hardness, wear resistance, corrosion resistance, and thermal stability. These properties make this material useful, for example, in microelectronics, MEMS devices and protective and optical coatings. In order to expand the application range of films and coatings based on binary chromium oxide (Cr-O) and to improve its physicochemical properties, the conversion of the binary material into a ternary material (Cr-Me-O), where oxides of other metals (e.g. Ti, Al, Zr, Cu, Hf) are added to the chromium oxide, is increasingly used. Such multicomponent materials allow changing the microstructure of the films and thereby also the mechanical, optical and thermal stability properties of the film. Since few studies have been conducted on atomic layer deposited (ALD) ultrathin (thickness 10–100 nm) multicomponent oxide films containing chromium, the relationships among the deposition process, composition, microstructure and properties are not yet sufficiently known. This doctoral thesis investigated the relationships between the ALD growth process of various Cr-Me-O type (Me=Ti, Al, Hf) thin films and their physical properties (structure, hardness, elasticity, wear resistance, refractive index, optical absorption, thermal stability). It was determined that Cr-Me-O type films have higher wear resistance, tunable optical properties, and higher thermal stability compared to chromium oxide films. In particular, the thermal stability was increased from about 500 °C for binary chromium oxide to as high as 900 °C for ternary films. Overall, the thesis shows how composition engineering can be used to develop chromium oxide -based thin films with properties better suited for advanced technological applications.