AT4290U1 - Verfahren zur herabsetzung des spezifischen widerstandes einer elektrisch leitenden schicht - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung. Erfindungsgemäß wird dazu auf der Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht eine MoO`2 -Schicht ausgebildet. Dadurch lässt sich eine Verringerung des spezifischen Schichtwiderstandes in der Größenordnung von 10 % bis 15 % erreichen.
Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung.
Elektrisch leitende Schichten aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung für elektrische bzw. elektronische Bauteile kommen vor allem dort zum Einsatz, wo es neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch auf eine gute Beständigkeit der Schicht gegen hohe Temperaturen ankommt.
Bei vielen elektrischen und elektronischen Bauteilen sind neben den elektrisch leitenden Schichten, z.B. in Form von Leiterbahnen, vielfach noch weitere Schichten für andere Funktionen notwendig, die in der Regel nachfolgend auf die Leiterbahnen abgeschieden werden. Daher ergibt sich allein durch die während der Beschichtung auftretenden Temperaturen von bis zu 450 C eine hohe Temperaturbelastung der Leiterbahnen, so dass Molybdän und Molybdänlegierungen als Schichtwerkstoff für die Leiterbahnen in grossem Umfang eingesetzt werden.
Typische Beispiele für den Einsatz dünner Schichten aus Molybdän und Molybdänlegierungen sind Leiterbahnen in Flat-Panel-Displays oder elektrisch leitende Schichten in Solarzellen.
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Problematisch dabei ist, dass es bei Molybdän ab einer erhöhten Luftfeuchtigkeit von 60 % r. F. schon bei Raumtemperatur zur Ausbildung von Oberflächenschichten kommt, die aus Verbindungen mit etwa 12 Atom% Molybdän, etwa 75 Atom% Sauerstoff und etwa 8 Atom% Stickstoff bestehen und im Vergleich zu reinem Molybdän einen deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen.
Selbst wenn sich diese Oberflächenschichten nur mit einer relativ geringen Stärke in der Grössenordnung von wenigen Nanometern ausbilden erhöht sich dadurch bei dünnen Schichten aufgrund des erhöhten Übergangswiderstandes, der spezifische elektrische Schichtwiderstand in erheblichem Ausmass.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung zu schaffen, durch das der spezifische Widerstand der Schicht herabgesetzt wird.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass auf der Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht eine Mo02-Schicht ausgebildet wird.
Durch die normalerweise vorhandene Oberflächenschicht, die sich bei entsprechender Luftfeuchtigkeit bereits bei Raumtemperatur von selbst ausbildet, weisen die elektrisch leitenden Schichten aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung einen erhöhten Übergangswiderstand auf, der beim Kontaktieren der Schichten zum Tragen kommt und der damit den spezifischen Schichtwiderstand der elektrisch leitenden Schicht insgesamt erhöht. Durch die Ausbildung einer definierten Mo02-Schicht auf der Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht, kommt es zu einer deutlichen Absenkung des Übergangswiderstandes und damit zu einer Herabsetzung des spezifischen Schichtwiderstandes.
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Das war völlig überraschend, da Oxide gegenüber den zugehörigen, reinen Metallen immer einen in der Regel deutlich erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen. Auch das M002 weist gegenüber dem reinen Molybdän einen höheren spezifischen Widerstand auf.
Die Erklärung warum es dann bei Ausbildung der oberflächlichen Mo02-Schicht zu einer Absenkung des Übergangswiderstandes und damit zu einer Herabsetzung des spezifischen Schichtwiderstandes kommt liegt darin, dass MoO2 einen geringeren spezifischen Widerstand als die normalerweise an der Oberfläche des Molybdäns vorhandenen Verbindungen mit Sauerstoff- und Stickstoffanteilen aufweist und diese Verbindungen durch die gezielte Ausbildung der Mo02-Schicht vollständig abgebaut werden.
Neben dieser positiven Auswirkung auf den spezifischen Schichtwiderstand von elektrisch leitenden Schichten ist eine Mo02-Schicht auch eine ausgezeichnete Diffusionsbarriere, welche die Diffusion anderer Schichtmaterialien in die elektrisch leitende Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung verhindert.
Der Schichtdickenbereich zwischen 5 nm und 50 nm hat sich für die MoO2-Schicht bewährt um einerseits die üblicherweise vorhandenen undefinierten Oberflächenschichten vollständig abzubauen und andererseits den Übergangswiderstand nicht zu hoch ansteigen zu lassen um den spezifischen Schichtwiderstand der elektrisch leitenden Schicht noch zu verringern. Über eine Schichtdicke von 50 nm hinaus, kommt es aufgrund des höheren spezifischen Widerstandes des MoO2 gegenüber reinem Molybdän in der Regel zu einer Erhöhung des spezifischen Schichtwiderstandes.
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Als besonders vorteilhaft haben sich Schichtstärken im Bereich zwischen 20 nm und 30 nm bewährt, womit sich bei elektrisch leitenden Schichten aus reinem Molybdän mit einem üblichen Schichtdickenbereich von 50 nm bis 200 nm eine Verringerung des spezifischen Schichtwiderstandes in der Grössenordnung von 10 % bis 15 % erreichen lässt.
In einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird die Mo02-Schicht dadurch ausgebildet, dass die Oberflächenzone der elektrisch leitenden Schicht in einem ersten Schritt durch eine Oxidationsbehandlung zuerst in eine Mo03-Schicht und diese Mo03-Schicht in einem zweiten Schritt durch eine Reduktionsbehandlung dann in eine Mo02-Schicht umgewandelt wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Oxidationsbehandlung während eines Zeitraumes von 5 bis 20 Min. bei einer Temperatur zwischen 250 C und 325 C durch strömenden, reinen Sauerstoff und die Reduktionsbehandlung während 5 bis 20 Min. bei einer Temperatur zwischen 375 C und 450 C durch strömenden Wasserstoff erfolgt.
Neben der Ausbildung der Mo02-Schicht nach diesem bevorzugten Verfahren ist auch die direkte Abscheidung einer Mo02-Schicht durch geeignete Beschichtungsverfahren, wie z.B. Sputter-Verfahren, denkbar.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Herstellungsbeispielen näher erläutert.
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Beispiel 1 Eine 1 mm dicke rechteckige Glasplatte mit den Abmessungen 350 mm x 450 mm wurde auf einer Seite durch ein Sputter-Verfahren mit einer Molybdänschicht mit einer Schichtstärke von 300 nm beschichtet.
Die beschichtete Platte wurde in einem Vakuumtrockenschrank mit beheizbaren Probenträgern unter Vakuum bei einem Restdruck von etwa 50 mbar auf eine Temperatur von 300 C erwärmt. Dann wurde der Rezipient mit trockenem Sauerstoff geflutet, nach einer Reaktionszeit von 20 Minuten wieder evakuiert und innerhalb von 12 Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt. Dadurch hat sich in der Oberflächenzone der Molybdänschicht eine 25 nm starke Mo03-Schicht ausgebildet.
Dann wurde die Platte in einen allseitig beheizbaren Wasserstoffofen eingebaut, unter strömendem Wasserstoff auf eine Temperatur von 410 C gebracht und nach einer Reaktionszeit von 20 Minuten bei dieser Temperatur innerhalb von 2 Stunden wiederum auf Raumtemperatur abgekühlt. Durch diese Reduktionsbehandlung erfolgte die vollständige Umwandlung der MoO3-schicht in eine Mo02-Schicht.
Die Untersuchung der Schichtzusammensetzungen und Schichtstärken erfolgte mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Augerelektronenespektroskopie- Tiefenprofilierung.
Beispiel 2 Eine Glasplatte gleicher Abmessungen wurde wie nach Beispiel 1 beschichtet.
Die weitere Behandlung der beschichteten Platte erfolgte wie nach Beispiel 1, wobei im Unterschied zu Beispiel 1 die Oxidationstemperatur im Trockenschrank 325 C betrug.
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Durch dieselben Untersuchungsmethoden wie in Beispiel 1 wurde festgestellt, dass sich in der Oberflächenzone der Molybdänschicht eine 42 nm starke Mo02-Schicht ausgebildet hat.
Beispiel 3 Für Vergleichsversuche wurde eine Glasplatte gleicher Abmessungen wie nach Beispiel 1 beschichtet und nach der Beschichtung an Luft bei 20 C 168 Stunden gelagert. Durch dieselben Untersuchungsmethoden wie in Beispiel 1 wurde festgestellt, dass sich in der Oberflächenzone der Molybdänschicht eine ca. 5 nm starke Schicht aus einer Verbindung mit etwa 12 Atom% Molybdän, 75 Atom% Sauerstoff und etwa 8 Atom% Stickstoff ausgebildet hat.
Bei den nach den Beispielen 1 bis 3 behandelten Proben wurde für Vergleichszwecke der spezifische elektrische Schichtwiderstand mit der 4-Spitzenmethode nach van der Pauw bestimmt.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengesellt.
Tabelle 1
EMI6.1
<tb> Probe <SEP> Behandlung <SEP> Oberflächenschicht <SEP> Schichtstärke <SEP> spezifischer
<tb> Schichtwiderstand
<tb>
<tb> Beispiel <SEP> 1 <SEP> erfindungsgemäss <SEP> MoO2 <SEP> 25 <SEP> nm <SEP> 14,3 <SEP> 10-6#cm
<tb>
<tb>
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> erfindungsgemäss <SEP> MoO2 <SEP> 42 <SEP> nm <SEP> 16 <SEP> . <SEP> 10-6#cm
<tb>
<tb>
<tb> Beispiel <SEP> 3 <SEP> Stand <SEP> der <SEP> Technik <SEP> ca. <SEP> ca. <SEP> 5 <SEP> nm <SEP> 16,4 <SEP> 10-6#cm
<tb> 12 <SEP> Atom% <SEP> Mo, <SEP>
<tb> 75 <SEP> Atom% <SEP> O2.
<tb>
8 <SEP> Atom <SEP> % <SEP> N2
<tb>
<Desc/Clms Page number 7>
Insbesondere bei der Schichtstärke von 25 nm ist deutlich die Verringerung des spezifischen Schichtwiderstandes durch die Ausbildung der oberflächlichen Mo02-Schicht festzulegen.
Claims (5)
- Ansprüche 1. Verfahren zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht eine Mo02-Schicht ausgebildet wird.
- 2. Verfahren zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mo02-Schicht mit einer Schichtstärke zwischen 5 nm und 50 nm ausgebildet wird.
- 3. Verfahren zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mo02-Schicht mit einer Schichtstärke zwischen 20 nm und 30 nm ausgebildet wird.
- 4. Verfahren zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenzone der elektrisch leitenden Schicht in einem ersten Schritt durch eine Oxidationsbehandlung zuerst in eine Mo03-Schicht und diese Mo03-Schicht in einem zweiten Schritt durch eine Reduktionsbehandlung dann in eine Mo02-Schicht umgewandelt wird. <Desc/Clms Page number 9>
- 5. Verfahren zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes einer elektrisch leitenden Schicht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet" dass die Oxidationsbehandlung während 5 bis 20 Min. bei einer Temperatur zwischen 250 C und 325 C durch strömenden, reinen Sauerstoff und die Reduktionsbehandlung während 5 bis 20 Min. bei einer Temperatur zwischen 375 C und 450 C durch strömenden Wasserstoff erfolgt.
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