Title
		
		
			Modifikacija svojstava tankoslojnih TiN struktura na silicijumskoj podlozi bombardovanjem jonima 
		
	
			Creator
		
		
			Popović, Maja, 1977- 
					
	
			Copyright date
		
		
			2012
		
	
			Object Links
		
		
	
			Select license
		
		
			Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
		
	
			License description
		
		
			Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
		
	
			Language
		
		
			Serbian
		
	
			Cobiss-ID
		
		
	
			Theses Type
		
		
			Doktorska disertacija
		
	
			description
		
		
			Datum odbarne: 20.12.2012.
		
	
			Other responsibilities
		
		mentor
				Miljanić, Šćepan, 1948- 
				mentor
				Bibić, Nataša, 1948- 
				član komisije
				Cvjetićanin, Nikola, 1959- 
				
			Academic Expertise 
		
		
			Prirodno-matematičke nauke
		
	
			University
		
		
			Univerzitet u Beogradu
		
	
			Faculty
		
		
			Fakultet za fizičku hemiju
		
	
				Alternative  title
			
			
				Modification of the properties of TiN thin structures onsilicon substrate by ion bombardement
			
		
				Publisher
			
			
				[M. Popović] 
			
		
				Format
			
			
				PDF/A (123 lista)
			
		
				description
			
			
				 Prirodno matematička-Fizika / Natural science-Physics 
			
		
				Abstract (sr)
			
			
				Istraživanja  tankoslojnih  struktura  titan-nitrida  (TiN)  su  od  izuzetnog  znacaja  zbog 
jedinstvene  kombinacije  fizickih  i  hemijskih  svojstava  koje  ovaj  materijal  poseduje. 
Titan-nitrid je materijal koji ima primenu u razlicitim oblastima tehnologije zahvaljujuci 
svojstvima kao  što  su visoka  tvrdoca, visoka  tacka  topljenja, dobar otpor na habanje  i 
koroziju, visoka elektricna provodnost, mali kontaktni otpor, itd. Svojstva deponovanih 
TiN  struktura  je  moguce  kontrolisano  menjati  primenom  jonske  implantacije.  To  je 
neravnotežni proces u kome  je moguca precizna kontrola parametara kao  što  su vrsta, 
energija i koncentracija ugradenih jona. Na taj nacin jonska implantacija može dovesti 
do  promene  kristalne  strukture  materijala,  amorfizacije,  stvaranja  nano-ukljucaka, 
jedinjenja, promene morfologije površine,  itd. Nabrojane  strukturne promene mogu da 
menjaju fizicka, hemijska, mehanicka, opticka i druga svojstva materijala. 
 
U okviru ovog rada tankoslojne strukture TiN debljine ~.240.nm dobijene su metodom 
reaktivnog  jonskog  rasprašivanja.  Kao  podloge  su  korišcene  monokristalne  (100) 
silicijumske  plocice.  Slojevi  TiN  su  deponovani  na  sobnoj  temperaturi  podloge  i  na 
temperaturi  podloge  od  T.~150oC.  Modifikacija  deponovanih  slojeva  uradena  je 
tehnikom  jonske  implantacije. Uzorci  su  ozracivani  gasovitim  jonima  argona  energije 
120.keV  i  200.keV  i metalnim  jonima  vanadijuma  energije  80.keV.  Jonske  doze  su  u 
slucaju jona argona bile u opsegu 5×1015 –.20×1015 jona/cm2, dok su za jone vanadijuma 
doze  bile  1×1017  jona/cm2  i  2×1017  jona/cm2.  Osnovni  cilj  ovih  eksperimentalnih 
istraživanja  je  proucavanje  uticaja  i  poredenje  razlike  uticaja  inertnog  i  metalnog 
upadnog  jona  na  strukturna,  elektricna  i  opticka  svojstva  TiN  slojeva.  Pored  toga, 
proucavan je i uticaj temperature podloge na strukturu deponovanih tankih slojeva TiN. 
ii 
Stehiometrija, homogenost i debljina tankih slojeva TiN pre i posle implantacije jonima 
argona  i  vanadijuma  analizirana  je  metodom  Rutherford-ovog  povratnog  rasejanja 
(RBS). Analiza pokazuje da  joni argona  nisu prouzrokovali promene  stehiometrijskog 
odnosa  komponenata  u  TiN  sloju  cak  ni  posle  najvece  doze  argona.  U  slucaju 
implantacije jonima vanadijuma sloj pokazuje nestehiometrijske koncentracione profile 
u  oblasti  gde  se  najveci  broj  jona  vanadijuma  zaustavio  kao  i  u  oblasti  ispod 
implantirane zone. Takode je zapaženo da joni vanadijuma dovode do porasta efektivne 
debljine sloja. 
 
Strukturna analiza tankih slojeva je uradena difrakcijom X zraka (XRD), transmisionom 
elektronskom mikroskopijom u kombinaciji sa elektronskom difrakcijom na odabranoj 
površini  (TEM./.SAD)  i  visokorezolucionom  elektronskom mikroskopijom  uz  analizu 
pomocu Fourier-ove transformacije (HRTEM./.FFT). Ove metode su nam omogucile da 
definišemo prisustvo  faza u deponovanim  i  implantiranim  strukturama. Uocili  smo da 
TiN slojevi rastu u vidu vrlo fine polikristalne stubicaste strukture. Nakon implantacije 
jonima  argona  slojevi  zadržavaju  polikristalnu  strukturu  uz  narušavanje  stubicaste 
strukture  u  oblasti  oštecenja  uzrokovanog  implantacijom.  XRD  i  FFT  analiza  je 
pokazala  da  je  prisutna  samo  površinski  centrirana  kubna  TiN  faza  uz  smanjenje 
velicine zrna nakon implantacije jonima argona. Dakle, jonsko zracenje dovodi samo do 
lokalnog atomskog preuredivanja unutar sloja. U slucaju jona vanadijuma TEM analiza 
pokazuje prisustvo amorfnog sloja iznad implantirane oblasti.  Implantirana oblast koja 
ima  polikristalnu  strukturu  sadrži  veliku  kolicinu  defekata.  XRD  i  FFT  analize  su 
pokazale pored površinski centrirane kubne TiN faze prisustvo nove VN faze u oblasti 
gde  se  najveci  broj  jona  vanadijuma  zaustavio.  Može  se  zakljuciti  da  implantacija 
jonima vanadijuma dovodi do formiranja nove faze usled hemijskih efekata. Takode je 
primeceno  da  je  dubina  oštecenja  znacajno  veca  od  one  predvidene  SRIM2003 
simulacijom.  
 
Metoda „cetiri tacke” pokazuje da specificna otpornost raste sa porastom jonske doze. 
Opticka  merenja  IR  metodom  su  pokazala  da  opticka  otpornost  prati  promenu 
specificne  otpornosti.  Efekat  promene  specificne  i  opticke  otpornosti  je  objašnjen 
iii 
akumulacijom  defekata  implantacijom  jona  argona  i  formiranjem  nove  faze  u  slucaju 
jona vanadijuma.
			
		
				Abstract (en)
			
			
				Titanium-nitride  (TiN)  thin  film  structures  research  is  of  great  importance  because  of 
the unique  combination of physical  and  chemical properties of  this material.  TiN  is  a 
material commonly used  in various  fields of  technology due  to  the properties  such as 
high  hardness,  high  melting  point,  good  corrosion  and  abrasion  resistance,  high 
electrical conductivity, low contact resistance, etc. The process of ion implantation can 
be  used  to  change  the  properties  of  deposited TiN  structures.  It  is  a  non-equilibrium 
process  by  precise  control  of  parameters  such  as  type,  concentration  and  energy  of 
implanted ions. In this way ion implantation can produce changes in crystal structure of 
materials, produce of amorphization, creation of nano-inclusions, compounds, changes 
in  surface morphology,  etc.  These  changes  can  alter  physical,  chemical, mechanical, 
optical and other properties of materials. 
 
In  this  work  titanium  nitride  thin  films  with  240.nm  thickness  were  obtained  using 
reactive  sputtering. The  substrates  used were monocrystalline  (100).Si wafers. During 
deposition the substrates were held at room temperature or at 150oC. Modification of the 
deposited layers was performed using the ion implantation technique. The samples were 
irradiated with  120.keV  and  200.keV  gaseous  argon  ions  and  80.keV metal  vanadium 
ions.  In  the  case  of  argon  ions  the  fluences  were  in  the  range  of  5×1015.–.20×1015 
ions/cm2, whereas for the vanadium ions the fluences were 1×1017 ions/cm2 and 2×1017 
ions/cm2. The main objective of this experimental research is to study the influence and 
to compare the differences of incident inert and metal ions on the structural, electrical 
and  optical  properties  of  titanium  nitride  layers.  The  influence  of  the  substrate 
temperature on the structure of as deposited thin films was also examined. 
v 
Stoichiometry,  homogeneity  and  thickness  of  TiN  thin  layers  before  and  after 
implantation of argon and vanadium ions was analyzed using Rutherford backscattering 
spectrometry  (RBS). This analysis  showed  that  the  implantation of argon  ions did not 
caused  any  changes  in  stoichiometric  ratio  of  components  in  TiN  layers  even  after 
highest  ion  fluences.  In  the  case  of  vanadium  implantation  the  layer  exhibit  nonstoichiometric
 concentration profiles in the region where the mostly vanadium ions are 
stopped as well as in the region beneath of the implanted zone. It was also found that the 
vanadium ions induced the increase of the effective thickness of the films. 
 
Structural  analysis  of  thin  layers  was  done  by  means  of  X-ray  diffraction  (XRD), 
transmission electron microscopy in combination with selected area electron diffraction 
(TEM./.SAD)  and  high  resolution  TEM  combined  with  fast  Fourier  transforms 
(HRTEM./.FFT). These methods enabled us to identify phases present in the deposited 
and implanted structures. We found that the TiN layers grow in the form of a very fine 
polycrystalline  columnar  structure.  After  argon  ion  irradiation  the  layers  retain  their 
polycrystalline  structure,  but  the  columnar  grains were  disconnected. XRD  and  FFT 
analysis have shown only the presence of face-centered cubic TiN phase with a decrease 
of  grains  after  argon  ion  implantation.  Hence,  ion  implantation  induced  only  local 
atomic  rearrangements within  the  films.  In  the  case  of  vanadium  ions TEM  analysis 
showed the presence of amorphous layer above the implanted region. Implanted region 
with a polycrystalline structure contains a large amount of defects. In the area where the 
most  of  the  vanadium  ions  stopped, XRD  and  FFT  analysis  showed  the  presence  of 
face-centered  cubic  TiN  phase  as well  as  the  presence  of  a  new VN  phase.  It  can  be 
concluded that the implantation of vanadium ions leads to the formation of new phase 
due to chemical effects. It was also observed that the depth of damage was significantly 
greater than those provided with SRIM2003 simulation.  
 
Four-point  probe  method  showed  that  the  resistivity  increases  with  increasing  ion 
fluence. Optical measurements obtained by IR analysis have shown that the changes in 
optical  resistivites  have  the  same  trend  as  the  changes  in  specific  resistivites.  The 
variations  of  specific  and  optical  resistivites  are  due  to  the  accumulation  of 
vi 
defects  after  argon  ion  implantation  and  the  formation  of  new  phase  after  vanadium 
implantation. 
			
		
				Authors Key words
			
			
				Tanki filmovi, Titan-nitrid, Jonska implantacija, RBS, XRD, TEM, IR
			
		
				Authors Key words
			
			
				Thin  films,  Titanium  nitride,  Ion  implantation,  RBS, XRD, 
TEM, IR 
			
		
				Classification
			
			
				544
			
		
				Subject
			
			
				Tanki slojevi
			
		
				Subject
			
			
				Nanostrukturni materijali
			
		
				Type
			
			
				Tekst
			
		
			Abstract (sr)
		
		
			Istraživanja  tankoslojnih  struktura  titan-nitrida  (TiN)  su  od  izuzetnog  znacaja  zbog 
jedinstvene  kombinacije  fizickih  i  hemijskih  svojstava  koje  ovaj  materijal  poseduje. 
Titan-nitrid je materijal koji ima primenu u razlicitim oblastima tehnologije zahvaljujuci 
svojstvima kao  što  su visoka  tvrdoca, visoka  tacka  topljenja, dobar otpor na habanje  i 
koroziju, visoka elektricna provodnost, mali kontaktni otpor, itd. Svojstva deponovanih 
TiN  struktura  je  moguce  kontrolisano  menjati  primenom  jonske  implantacije.  To  je 
neravnotežni proces u kome  je moguca precizna kontrola parametara kao  što  su vrsta, 
energija i koncentracija ugradenih jona. Na taj nacin jonska implantacija može dovesti 
do  promene  kristalne  strukture  materijala,  amorfizacije,  stvaranja  nano-ukljucaka, 
jedinjenja, promene morfologije površine,  itd. Nabrojane  strukturne promene mogu da 
menjaju fizicka, hemijska, mehanicka, opticka i druga svojstva materijala. 
 
U okviru ovog rada tankoslojne strukture TiN debljine ~.240.nm dobijene su metodom 
reaktivnog  jonskog  rasprašivanja.  Kao  podloge  su  korišcene  monokristalne  (100) 
silicijumske  plocice.  Slojevi  TiN  su  deponovani  na  sobnoj  temperaturi  podloge  i  na 
temperaturi  podloge  od  T.~150oC.  Modifikacija  deponovanih  slojeva  uradena  je 
tehnikom  jonske  implantacije. Uzorci  su  ozracivani  gasovitim  jonima  argona  energije 
120.keV  i  200.keV  i metalnim  jonima  vanadijuma  energije  80.keV.  Jonske  doze  su  u 
slucaju jona argona bile u opsegu 5×1015 –.20×1015 jona/cm2, dok su za jone vanadijuma 
doze  bile  1×1017  jona/cm2  i  2×1017  jona/cm2.  Osnovni  cilj  ovih  eksperimentalnih 
istraživanja  je  proucavanje  uticaja  i  poredenje  razlike  uticaja  inertnog  i  metalnog 
upadnog  jona  na  strukturna,  elektricna  i  opticka  svojstva  TiN  slojeva.  Pored  toga, 
proucavan je i uticaj temperature podloge na strukturu deponovanih tankih slojeva TiN. 
ii 
Stehiometrija, homogenost i debljina tankih slojeva TiN pre i posle implantacije jonima 
argona  i  vanadijuma  analizirana  je  metodom  Rutherford-ovog  povratnog  rasejanja 
(RBS). Analiza pokazuje da  joni argona  nisu prouzrokovali promene  stehiometrijskog 
odnosa  komponenata  u  TiN  sloju  cak  ni  posle  najvece  doze  argona.  U  slucaju 
implantacije jonima vanadijuma sloj pokazuje nestehiometrijske koncentracione profile 
u  oblasti  gde  se  najveci  broj  jona  vanadijuma  zaustavio  kao  i  u  oblasti  ispod 
implantirane zone. Takode je zapaženo da joni vanadijuma dovode do porasta efektivne 
debljine sloja. 
 
Strukturna analiza tankih slojeva je uradena difrakcijom X zraka (XRD), transmisionom 
elektronskom mikroskopijom u kombinaciji sa elektronskom difrakcijom na odabranoj 
površini  (TEM./.SAD)  i  visokorezolucionom  elektronskom mikroskopijom  uz  analizu 
pomocu Fourier-ove transformacije (HRTEM./.FFT). Ove metode su nam omogucile da 
definišemo prisustvo  faza u deponovanim  i  implantiranim  strukturama. Uocili  smo da 
TiN slojevi rastu u vidu vrlo fine polikristalne stubicaste strukture. Nakon implantacije 
jonima  argona  slojevi  zadržavaju  polikristalnu  strukturu  uz  narušavanje  stubicaste 
strukture  u  oblasti  oštecenja  uzrokovanog  implantacijom.  XRD  i  FFT  analiza  je 
pokazala  da  je  prisutna  samo  površinski  centrirana  kubna  TiN  faza  uz  smanjenje 
velicine zrna nakon implantacije jonima argona. Dakle, jonsko zracenje dovodi samo do 
lokalnog atomskog preuredivanja unutar sloja. U slucaju jona vanadijuma TEM analiza 
pokazuje prisustvo amorfnog sloja iznad implantirane oblasti.  Implantirana oblast koja 
ima  polikristalnu  strukturu  sadrži  veliku  kolicinu  defekata.  XRD  i  FFT  analize  su 
pokazale pored površinski centrirane kubne TiN faze prisustvo nove VN faze u oblasti 
gde  se  najveci  broj  jona  vanadijuma  zaustavio.  Može  se  zakljuciti  da  implantacija 
jonima vanadijuma dovodi do formiranja nove faze usled hemijskih efekata. Takode je 
primeceno  da  je  dubina  oštecenja  znacajno  veca  od  one  predvidene  SRIM2003 
simulacijom.  
 
Metoda „cetiri tacke” pokazuje da specificna otpornost raste sa porastom jonske doze. 
Opticka  merenja  IR  metodom  su  pokazala  da  opticka  otpornost  prati  promenu 
specificne  otpornosti.  Efekat  promene  specificne  i  opticke  otpornosti  je  objašnjen 
iii 
akumulacijom  defekata  implantacijom  jona  argona  i  formiranjem  nove  faze  u  slucaju 
jona vanadijuma.
		
	
			“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into  internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core  xml  and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.
		
	
