Untersuchung und Modellierung von Teilchenströmen in einem Beschichtungsprozess basierend auf Ionenstrahlzerstäubung
Creators: name: Sakiew, Wjatscheslaw
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: thin film technology
subject: ion beam sputter deposition
subject: ion beam
subject: particle fluxes
subject: modeling
subject: simulation
subject: optical coatings
subject: erosion profile
subject: Dünnschichttechnologie
subject: Ionenstrahlzerstäubungsdeposition
subject: Ionenstrahl
subject: Teilchenströme
subject: Modellierung
subject: Simulation
subject: optische Schichten
subject: Erosionsprofil
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften

description: Die Ionenstrahlzerstäubungsdeposition ermöglicht die Herstellung von kompakten Schichten und Schichtsystemen mit amorpher Mikrostruktur und niedrigsten prozessinduzierten Defektdichten. Demgegenüber stehen im Vergleich zu anderen auf physikalischer Gasphasenabscheidung basierenden Beschichtungsverfahren höhere Herstellungskosten, eine kleinere homogene Beschichtungsfläche und eine geringere Beschichtungsrate. Durch einen Übertrag der hohen Schichtqualität auf größere Beschichtungsflächen, über den üblichen Kreisdurchmesser von derzeit etwa 300 mm hinaus, könnten einerseits neue Anwendungen z.B. in Astronomie, Weltraum und Hochenergiephysik ermöglicht werden. Andererseits könnte ein höherer Materialnutzungsgrad die Technologie auf einem größeren Markt positionieren sowie den Verbrauch von kritischen Rohstoffen reduzieren. Zum Erreichen dieser Zielstellungen müssen die Teilchenströme im Beschichtungsprozess besser verstanden werden - dazu soll die vorliegende Arbeit einen Beitrag leisten. Die experimentellen Untersuchungen basieren auf einer detaillierten ex-situ Kartierung in einem reaktiven Prozess sowohl der durch den breiten Ionenstrahl erodierten Targets als auch der durch Zerstäubung in der Beschichtungsebene realisierten Schichtdickenverteilungen. Als Projektilspezies werden Argon, Krypton und Xenon im Energiebereich 1.4 bis 1.9 keV betrachtet. Als Targetmaterial kommt vor allem Tantal zum Einsatz, mit welchem Tantalpentoxid beschichtet wird. Die untersuchten erodierten Targets lassen die Schlussfolgerung zu, dass die qualitative Erosionsform im betrachteten Prozess von geometrischen Prozessparametern dominiert wird, weniger von der polarwinkelabhängigen integralen Zerstäubungsausbeute und damit auch weniger von Wechselwirkungsmechanismen auf atomarer Ebene. Weiterhin zeigen die Experimente auf, dass für eine Vergrößerung der nutzbaren Beschichtungsfläche eher die über die Fläche variierenden Schichteigenschaften und weniger die Schichtdickenhomogenität eine Herausforderung darstellen. Ausgehend von den Experimenten wird ein Modell für die Primärteilchen, die den breiten Ionenstrahl bilden, und die Sekundärteilchen, die das vom Target abgestäubte Material beschreiben, aufgestellt. Das Modell bestätigt, dass die Form der Targeterosion qualitativ betrachtet wenig von der integralen Zerstäubungsausbeute abhängt. Es sagt auch eine starke Durchmischung der Primärteilchentrajektorien voraus. Im Hinblick auf die Schichtdickenverteilungen ist ein Ergebnis, dass der verbreitete Ansatz, den von einem Target zerstäubten Teilchenstrom aus rotationssymmetrischen und ggf. entarteten Kosinusemittern zu überlagern, für den betrachteten Prozess unzureichend ist. Eine numerische Nachbildung der Ionen-Materie-Wechselwirkung durch Simulationen mit TRIDYN, ein weit verbreiteter Monte-Carlo-Code auf diesem Gebiet, ergibt eine bessere Übereinstimmung zwischen 3D-Modell und Experiment. Als Begründung wird die Berücksichtigung sowohl von isotropen als auch anisotropen Anteilen bei der Zerstäubung eines Festkörpers gesehen. Weiterhin wird die Zerstäubung von Tantal aus Tantalpentoxid durch am Target gestreute Projektile simulativ untersucht. Es ergibt sich ein geringer Einfluss auf die resultierende Schichtdickenverteilung. Die dielektrische Versiegelung der Targetoberfläche scheint dagegen ein wichtiger Mechanismus innerhalb der reaktiven Ionenstrahlzerstäubungsdeposition zu sein, was bisher bei dieser Technologie weitestgehend außer Acht gelassen wurde.
description: Ion beam sputter deposition enables the production of high density layers and layer stacks with an amorphous microstructure and the lowest process-induced defect densities. In contrast, compared to other coating processes based on physical vapor deposition, the production costs are higher, the uniform deposition area is smaller, and the deposition rate is lower. Transferring the high coating quality to larger deposition areas beyond the usual circular diameter of around 300 mm, new applications could be made possible, e.g., in astronomy, space, and high-energy physics, on the one hand. On the other hand, a higher degree of material utilization could position the technology on a larger market and reduce the consumption of critical raw materials. To achieve these objectives, the particle fluxes in the coating process must be better understood – this thesis intends to contribute to this. The experimental investigations are based on a detailed ex-situ mapping in a reactive process of both, the targets eroded by the broad ion beam and the coating thickness distributions in the coating plane produced by sputtering. Argon, krypton, and xenon in the energy range of 1.4 to 1.9 keV are considered projectile species. The primary target material used is tantalum, with which tantalum pentoxide is coated. The investigated eroded targets allow the conclusion that the qualitative erosion shape in the considered process is dominated by geometric process parameters, less by the polar angle-dependent integral yield, and, thus, less by interaction mechanisms at the atomic level. The experiments show that the main challenge for increasing the size of the usable deposition area is the layer properties distributed over the deposition area rather than the uniformity of the layer thickness. Based on the experimental findings, a model is developed for the primary particles, which form the broad ion beam, and the secondary particles, which describe the material sputtered from the target. The model confirms the minor impact of the integral yield on the qualitative erosion shape. It also predicts a strong mixing of the primary particle trajectories. With regard to the layer thickness distributions, one result is that the common approach of superimposing the particle flux sputtered from a target using rotationally symmetric and potentially distorted cosine emitters is insufficient for the investigated process. A numerical simulation of the ion-matter interaction using TRIDYN, a widely used Monte Carlo code in this field, gives a better agreement between the 3D model and the experiment. The reason for this is seen in the consideration of both isotropic and anisotropic components in the sputtering process of a solid. Furthermore, the sputtering of tantalum from tantalum pentoxide by projectiles scattered at the target is investigated by simulation. As a result, there is a minor impact on the deposited layer thickness distribution. Target poisoning, in contrast, appears to be an essential mechanism within reactive ion beam sputtering deposition, which has so far been largely ignored in this technology