Serielles Co-Sputtern : Entwicklung einer flexiblen Beschichtungstechnologie und deren Charakterisierung am Beispiel der Ratenerhöhung von Metalloxiden durch Co-Dotierung

  • Serial Co-Sputtering : development of a versatile coating technology and its characterization using the example of rate enhancement of metal oxides by co-doping

Austgen, Michael; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Schwerpunkt dieser Arbeit ist der Aufbau und die Inbetriebnahme einer vielseitigen Beschichtungsanlage, die auf der Magnetron-Sputterdeposition basiert. Diese Apparatur besteht aus einem Drehtarget (Primärtarget) und einer zweiten Sputterquelle (Sekundärtarget) und ist so konzipiert, dass das Drehtarget an einer Position mit dem Sekundärmaterial beschichtet und an einer anderen Position als Legierung gesputtert werden kann. Dieser simultane Betrieb der Sputterprozesse sowie die hintereinander ausgeführte Anordnung der Beschichtungsquellen ergeben das serielle Co-Sputtern. Die Flexibilität dieser Beschichtungsanlage besteht darin, dass durch geeignete Prozessführung verschiedenste Materialien kombiniert werden können und die Stöchiometrie (oder der Dotierungsgrad) durch Leistungsanpassung der Sputterquellen in einem weiten Bereich stufenlos variiert werden kann. Zudem ist die Abscheidung von Legierungen möglich, welche aus physikalischen und fertigungstechnischen Gründen nicht als Target erhältlich sind. Die beiden Sputterprozesse können zusätzlich in getrennten Atmosphären betrieben werden. Eine ausgeklügelte Gasseparation ermöglicht einen Reaktivgasprozess für den Sputtervorgang der Drehkathode, während der Sekundärprozess weiterhin in einer nicht-reaktiven Atmosphäre gefahren werden kann. Trotz einer Änderung des Arbeitspunktes durch die Reaktivgaszugabe zum primären Sputterprozess bleibt durch die Gasseparation die Beschichtungsrate des Sekundärprozesses erhalten. Dadurch ergibt sich gegenüber dem konventionellen Co-Sputterverfahren eine kontrollierbarere Prozessführung. Die Entwicklung eines Verständnisses der Prozessdynamik des seriellen Co-Sputterns erfolgt hier am Beispiel der Prozesscharakterisierung der Ratenerhöhung von Metalloxiden durch Co-Dotierung mit schweren Atomen. Das Sputtern ist ein höchst ineffizienter Prozess, da ein Großteil der investierten elektrischen Leistung durch Wärmeumwandlung in den Kollisionskaskaden im Target verloren geht. Werden dem Targetmaterial schwere Atome beigemischt, können die Kollisionskaskaden aufgrund eines effizienteren Impulsübertrags an ihnen zurück zur Targetoberfläche reflektieren und somit eine Sputterratenerhöhung bewirken. Insbesondere das Sputtern von Metalloxiden ist aufgrund erhöhter Oberflächenbindungsenergien begleitet von einer im Vergleich zum metallischen Sputtern um eine Größenordnung geringeren Sputterrate. Die Beimischung schwerer Atome in das Targetmaterial kann hier mit dem seriellen Co-Sputtern erfolgen. Im Sekundär-Sputterprozess wird das Hilfsmaterial auf das Drehtarget aufgetragen und in der primären Erosionszone zum einen Teil gesputtert und zum anderen Teil in die Targetoberfläche stoßimplantiert. Letzteres trägt dann zu dem oben beschriebenen Ratenverstärkungseffekt bei. In dieser Arbeit wird der Ratenverstärkungseffekt am Beispiel der Metalloxide Al2O3 und TiO2 durch Co-Dotierung mit den schweren Atomen Wolfram (Z=74) und Bismut (Z=83) untersucht. Die primären Variablen bestehen aus dem den Arbeitspunkt bestimmenden Sauerstofffluss des Primärprozesses, der Rotationsgeschwindigkeit des Drehtargets und der Sputterleistung des Sekundärprozesses. Die Untersuchungen zeigen, dass bereits mit einer geringen W-Dotierungskonzentration von < 2 at.% in den abgeschiedenen Schichten eine signifikante Ratenverstärkung im Sputterprozess für beide Metalloxide möglich ist (70% für Al2O3:W und 160% für TiO2:W). Für Bi kann keine Ratenänderung verzeichnet werden, da neben dem Massekontrast der beteiligten Stoßpartner im Kollisionsprozess auch eine ausreichend hohe Oberflächenbindungsenergie des Dotiermaterials an die Targetoberfläche erforderlich ist. Aus Letzterem ergibt sich eine hohe Sputterrate für Bi, sodass dieses schneller weggesputtert wird und somit nicht ausreichend zum Ratenverstärkungsmechanismus beiträgt. Neben dem erfolgreichen Aufbau und Inbetriebnahme einer seriellen Co-Sputtertechnik und der Entwicklung eines ersten Verständnisses der Prozessdynamik wird in dieser Arbeit auch erstmals der Nachweis des Ratenverstärkungseffekts von Metalloxiden in einem Magnetron Sputterdepositionsverfahren gegeben.

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