Exploring the potential of serial magnetron co-sputtering

  • Erforschung des Potenzials seriellen Magnetron-Co-Sputterns

Schmidt, Rüdiger Matti; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Kelly, P. (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Funktionelle Dünnschichten sind ein wichtiger Bestandteil vieler moderner Technologien aus unserem täglichen Leben. Sie bestechen durch die Verknüpfung von Transparenz und gleichzeitiger elektrischer Leitfähigkeit und haben besondere mechanische, chemische oder optische Eigenschaften. Durch ihren Einsatz werden z.B. Flachbildschirme, Solarzellen und funktionelle Architekturverglasung erst ermöglicht. Die vielseitige Einsetzbarkeit stellt hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess, welcher skalierbar sein muss und gleichzeitig eine hohe Durchsatzmenge ermöglichen sollte. Von den verschiedenen verfügbaren Depositionsprozessen hat sich das Magnetronsputtern in der Großflächenbeschichtung durchgesetzt, da es diese Anforderungen in allen Punkten erfüllt.Kohlenstoff und Titandioxid (TiO2) sind zwei Materialien, welche auf Grund ihrer besonderen mechanischen und optischen Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung finden. Kohlenstoffbasierte Dünnschichten werden als verschleißmindernde und reibungsarme Beschichtungen verwendet, welche unter anderem die Haltbarkeit von Werkzeugen verbessern, wohingegen TiO2 als Antireflexschicht in Wärmedämmgläsern und als aktives Material in selbstreinigenden Oberflächen verwendet wird. Die herausragenden Eigenschaften dieser beiden Materialien können durch Dotierung weiter verbessert werden. Zudem kann durch Dotierung die sonst sehr geringe Depositionsrate gesteigert werden. Die systematische Untersuchung des Einflusses von Dotanden auf Prozess- und Materialeigenschaften war bisher jedoch nur eingeschränkt möglich, da die Herstellung von Sputtertargets mit fester Dotierungskonzentration aufwendig und kostenintensiv ist.Im Rahmen dieser Arbeit ist ein maßgefertigtes Co-Sputtersystem verwendet worden, welches in der Lage ist, die Dotierungskonzentration des Targets in situ einzustellen. Es wird gezeigt, wie sich Dotanden auf die Prozess- und Filmeigenschaften von Kohlenstoff und TiO2 in Sputterprozessen auswirken, wobei der Fokus der Untersuchung auf der Depositionsrate, dem Brechungsindex und der Phasenbildung liegt. Die niedrige Depositionsrate von Kohlenstoff kann durch Dotierung mit schweren Atomen, mit Hilfe der sogenannten Sputterratenverstärkung (sputter yield amplification), gesteigert werden. Im Rahmen dieser Arbeit ist Kohlenstoff mit zwei schwereren Elementen dotiert worden, welche beide eine deutliche Verstärkung der Sputterrate, im Einklang mit Computersimulationen, zeigen. Die Physik der Ratenverstärkung bei reaktivem Sputtern ist deutlich komplexer. Im Rahmen dieser Arbeit ist TiO2 mit verschiedenen Elementen dotiert worden um den Einfluss auf die Depositionsrate zu untersuchen. Eine thermodynamische Betrachtung erlaubt die Erklärung der Ergebnisse, welche mit bisherigen Modellen nicht zu interpretieren sind. Unter Zuhilfenahme eines HiPIMS-Prozesses kann die Ratenverstärkung weiter gesteigert werden, was auf die Ionisation der Dotierungsatome zurückgeführt werden kann. Desweiteren wird gezeigt, dass der Brechungsindex sowohl durch Dotierung als auch durch geeignete Prozessparameter kontrolliert werden kann, wodurch ein klares Konzept zur industriellen Herstellung hochbrechender Schichten bei gleichzeitig hoher Depositionsrate zur Verfügung gestellt wird.Neben der Ratenverstärkung können Dotanden auch dazu eingesetzt werden die Kristallisationseigenschaften von TiO2 zu beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Kristallisation mit der Valenz und dem Ionenradius des Dotanden, als auch mit dem Einbau von Argon in die aufwachsende Schicht verknüpft ist. Die präsentierten Ergebnisse ermöglichen, bei geeigneter Wahl des Dotanden, die Kristallisationseigenschaften von TiO2 individuell auf die Anwendung anzupassen.Abschließend wird ein neues Sputterkonzept, basierend auf einem Kohlenstofftarget, welches in reaktiver Atmosphäre gesputtert wird, vorgestellt. Dieses Konzept ermöglicht die Herstellung komplexer Oxide mit sehr guter Stöchiometriekontrolle.Die vorliegende Arbeit nutzt das Potenzial seriellen Magnetron-Co-Sputterns um die Prozess- und Filmeigenschaften von Kohlenstoff und TiO2 zu verbessern. Die präsentierten Resultate ermöglichen ein tiefgehendes Verständnis der Ratenverstärkung und der Kristallisationseigenschaften von TiO2 und können dazu genutzt werden industrielle Dünnschichtanwendungen zu verbessern.

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