Exploring the potential of serial magnetron co-sputtering

Schmidt, Rüdiger Matti; Kelly, P.; Wuttig, Matthias

doi:34528

Exploring the potential of serial magnetron co-sputtering = Erforschung des Potenzials seriellen Magnetron-Co-Sputterns

Schmidt, Rüdiger Matti

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rüdiger Matti Schmidt

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVII, 110, XXXIX S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor) ; Kelly, P. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-10-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-024832
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/477560/files/477560.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

Functional thin films are commonly implemented in many products of our daily life. They can be transparent and conducting at the same time and show improved mechanical, chemical as well as optical properties. Consequently, they are important constituents of several state-of-the art technologies like touch screens, solar cells and architectural glazing. The broad field of applications necessitates a versatile and scalable production process capable of processing a high number of units within a short time. Among the possibilities for deposition, magnetron sputtering fulfills these demands, offering versatility, scalability and a high process throughput, and has therefore become the method of choice for the large area coating industry.Carbon and titanium dioxide (TiO2) are widely utilized in various thin film applications, due to their unique mechanical and optical properties. Carbon based thin films are employed as low-friction and wear-resistant coatings to increase the life time of e.g. cutting tools, whereas TiO2 is the material of choice in anti-reflective layers of low-emissivity coatings as well as the mainly used active material in self-cleaning surfaces. Doping with different elements allows the improvement of the properties of carbon and TiO2 and to increase the otherwise very low deposition rates of these materials. However, systematic studies on the influence of dopants on sputter processes and material properties have so far been complicated, as the production of compound targets is inflexible and expensive.In this work, a custom-made serial co-sputtering setup, capable of controlling the dopant content in situ, has been utilized to investigate the influence of different dopants on the sputter processes and film properties of carbon and TiO2, with respect to deposition rate, refractive index and phase formation. To overcome the low sputter yield of carbon, sputter yield amplification by doping with heavy elements can be employed. In this work, carbon has been doped by two heavier elements to increase the deposition rate. Both elements result in a tremendous rate increase. The results are compared to computer simulations, which are in an excellent agreement to the experimental data. Describing the underlying processes upon sputter yield amplification in reactive sputtering is more complex. In this work, TiO2 has been doped with several heavy elements to increase the deposition rate. The findings presented reveal that thermodynamics play a major role in determining the strength of the rate enhancement, a result not considered by established models so far. Utilizing HiPIMS, the sputter yield amplification effect can be further enhanced. Experiments, which link the additional enhancement to the ionization of the dopant, are presented. Additionally, the influence of heavy dopants on the refractive index is analyzed, revealing a clear concept for high rate, high index TiO2 thin films.Moreover, various dopants have been analyzed with respect to their capability to modify the crystallization behavior of TiO2. The results show that the phase transformation of amorphous TiO2 can be controlled by use of the right elements. The transformation behavior is linked to the valence and ionic radius of the dopant as well as to the incorporation of argon in the growing film. The results presented allow for a deposition of thermally stable amorphous TiO2 thin films as well as films which crystallize into either anatase or rutile. Finally, a novel sputter technique, using a carbon print target sputtered in reactive atmosphere to deposit multi-component thin films with high stoichiometry precision, is presented.This work exploits the potential of serial magnetron co-sputtering to tailor the process conditions and film properties of carbon and TiO2. The results presented add to the understanding of the sputter yield amplification effect and the crystallization and transformation behavior of doped TiO2 thin films, allowing for a tailoring of their properties with respect to the desired field of application. The results presented can be readily used for deposition of doped TiO2 and carbon based thin films in industrial applications.

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