Process control for plasma coating and nitriding by spectroscopic ellipsometry

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es zu zeigen, dass Spektroskopische Ellipsometrie (SE) erfolgreich zur on-line Überwachung beim Plasmanitrieren bzw. bei Beschichtungsprozessen in einer PACVD-Anlage eingesetzt werden kann. Es wurden Grundlagen erarbeitet um die jeweiligen Anwendungsprozesse im Reaktor zu steuern und zu kontrollieren. In weiterer Folge wurde ein sogenanntes "closed loop control" (CLC) System aufgebaut, um die Überwachung und Kontrolle der Prozesse zu automatisieren. Stahlsubstrate wurden in einer bestehenden PACVD-Anlage plasmanitriert und mit Hilfe von Spektroskopischer Ellipsometrie wurde versucht, die Bildung einer Verbindungsschicht (compound layer) zu verhindern. Der Aufbau dieser Verbindungsschicht wurde während des Nitrierprozesses mittels der aufgezeichneten spektroskopischen Daten in einem sogenannten Übergangsgebiet verifiziert. Es stellte sich heraus, dass der zeitliche Verlauf des Psi- Signals bei 450 nm und die Position des dritten Oszillators (L32) für die on-line Kontrolle geeignet sind. L32, ein Fitparameter im Oszillatormodell, ist ein Maß für die Metallizität der behandelten Probe. Um Informationen über die Phasenzusammensetzung der Verbindungsschicht zu erhalten, führte man einige XRD-Messungen (X-ray diffraction) durch. Es stellte sich heraus, dass diese Verbindungsschicht ausschließlich aus Fe4N bestand. AFM-Messungen ergaben eine signifikante Rauhigkeitszunahme (von 20 nm bis 300 nm) innerhalb des Übergangsgebietes aufgrund von Rekristallisation und Nitridbildung. Weiters wurden TiN Beschichtungsprozesse durchgeführt und mittels Spektroskopischer Ellipsometrie überwacht. Die Homogenität und die Zusammensetzung bzw. die Struktur der erhaltenen TiN Schichten erfolgte mit Hilfe folgenden analytischer Methoden: XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), AES (Auger electron spectroscopy), GDOES (Glow discharge optical emission spectroscopy) und XRD. Es stellte sich heraus, dass die TiN Schichten etwa 10% Sauerstoff enthalten, der sich an den Korngrenzen der TiN-Kristalle befindet. Da es sehr schwierig war das N/Ti Verhältnis mit AES und XPS zu bestimmen, wurden dafür GDOES- Messungen durchgeführt. Ein Zusammenhang zwischen Realteil der dielektrischen Funktion und dem N/Ti Verhältnis wurde gefunden, welcher für das CLC System verwenden werden kann um TiN verschiedener Stöchiometrie herzustellen. Bei DLC Versuchen wurden verschiedene Zwischenschichten aufgetragen um die Haftfestigkeit zu erhöhen, wobei TiCN in Kombination mit einer Gradientenschicht am besten geeignet war. Für die Schichtdickenbestimmung wurde ein sogenanntes "virtual interface model" verwendet und das CLC System erfolgreich implementiert. Das es einige Schwierigkeiten mit der richtigen Parametrisierung des Ellipsometermodells gab, wurde ein Korrekturfaktor für die Bestimmung der Schichtdicke von DLC eingeführt.<br />

The goal of this work was to demonstrate that Spectroscopic Ellipsometry (SE) can be successfully applied for the monitoring during plasma nitriding and PACVD (plasma-assisted chemical vapour deposition) in a heavy duty environment. Fundamentals have been worked out to control the treatment processes in the PACVD reactor. Furthermore, the knowledge was utilized for developing a closed loop control (CLC) system in order to monitor and automatically control the individual processes on-line. For plasma nitriding a strategy for the avoidance of compound layer has been developed and successfully applied both manually and with the use of different automatic control algorithms. A so called transition region was found attributed to the compound layer formation. The temporal evolution of the Psi-signal at 450 nm and the position of the 3rd oscillator (L32), as evaluated by an ellipsometer model, were best suited for on-line control. L32 indicates the metallic character of the treated sample. The compound layer consisting of only Fe4N was investigated by XRD (X-ray diffraction). A drastical increase of the surface roughness (from 20 nm to 300 nm) was observed within the transition region due to recrystallisation and nitride formation. Further TiN deposition has been carried out and monitored by means of SE. Homogeneity, characterization of composition and structure of TiN was investigated by a variety of analytical tools including XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), AES (Auger electron spectroscopy), GDOES (Glow discharge optical emission spectroscopy) and XRD. It was found that the TiN coatings contain oxygen in the order of 10% situated at the grain boundaries around the TiN crystallites. As it turned out to be rather difficult to evaluate the N/Ti ratio by AES and XPS, this ratio was determined from GDOES measurements. A relationship between the real part of the dielectric function 1 and the N/Ti ratio was found, which can be used for CLC of the N/Ti ratio (stoichiometry). Several DLC deposition runs have been performed with on-line Spectroscopic Ellipsometry. To improve the adhesion on steel different interlayers were tested whereas interlayers of TiCN in combination with a gradient layer exhibited the best results. Control of DLC thickness by means of CLC was implemented using a so called virtual interface model. CLC of DLC coating thickness was successfully implemented. However, there is still a problem with the correct parameterization of the ellipsometric model. Presently, an experimentally determined correction factor is used to tackle with this problem.