Growth of complex oxides : characterization of the metal flux during magnetron deposition with special emphasis on the angular distribution

Abstract

Das Verständnis des Schichtwachstums ist ein essentieller Schritt im Design komplexer funktioneller Beschichtungen. Um das Wachstum während der Abscheidung durch Magnetron-Sputtern zu verstehen, ist ein genaues Wissen über den Teilchenfluss von der Quelle zum Substrat von großer Bedeutung. Dies gilt insbesondere für anspruchsvolle Techniken, wie beispielsweise die simultane Beschichtung durch zwei oder mehrere Quellen in reaktiver Atmosphäre. Ein wichtiger Parameter ist die Winkelverteilung der auftreffenden neutralen Teilchen, da diese die Uniformität der Schicht bzw. Effekte wie Selbstabschattung beeinflusst.<br />Weiters kann die Bestimmung der Winkelverteilung der Teilchen Aufschluss über wichtige Aspekte der Grundlagen der Beschichtung mittels Sputtern geben. Einerseits können die experimentellen Resultate mit Simulationen verglichen werden, um den Gültigkeitsbereich der verwendeten Modelle richtig abzustecken. Andererseits können wichtige Parameter, wie beispielsweise die Winkelverteilung der von der Quelle emittiereten Teilchen, dadurch bestimmt werden. Die Bestimmung der Winkelverteilung der auftreffenden Teilchen an einem bestimmten Punkt in der Beschichtungskammer erfolgt mittels einer Lochkamera, welche die Winkelverteilung in eine Dickenverteilung umwandelt. Diese Arbeit beschreibt die Konstruktion solch einer Lochkamera, welche dazu in der Lage ist, die Winkelverteilung einer großen Anzahl von Materialien zu bestimmen, und welche einfach in die Beschichtungskammer eingebracht werden kann. Im Falle einer nicht reaktiven Beschichtung wurde die Winkelverteilung für unterschiedliche Materialien (Cu, W, Al, Ti, Mg), Geometrien (planar, zylindrisch, rotierbar) bei unterschiedlichen Parametern (Druck, laterale und vertikale Position) im Experiment bestimmt und mit Simulationen eines vor kurzem entwickelten Monte Carlo Algorithmus verglichen. Es wurde ebenfalls untersucht, ob Parameter, welche von der Winkelverteilung abgeleitet werden können, mit energieabhängigen Parametern oder mit der Winkelverteilung der emititerten Teilchen in Beziehung stehen. Auch der Einfluss eines reaktiven Gases wie z.B. Sauerstoff auf die Winkelverteilung für verschiedene Materialien und Geometrien wurde untersucht. Es stellte sich dabei heraus, dass die Zugabe eines reaktiven Gases sowohl einen Einfluss auf die Winkelverteilung der emittierten Teichen als auch auf den Gasphasentransport der neutralen Teilchen hat.

To understand the film growth during magnetron sputter deposition, especially for more demanding deposition techniques like reactive co-sputtering from two sources, a detailed knowledge of the flux of sputtered species from the target towards the substrate is vital. One important parameter is the angular distribution of the impinging neutral target atoms on the substrate, since it is responsible for e.g. self shadowing effects or film thickness uniformity.<br />Additionally, the determination of the angular distribution of the metal flux can provide insight into the fundamental principles of sputter deposition. On the one hand the experimentally obtained results can be compared with simulations, thus proving whether the used models are valid or not. On the other hand, important parameters like the nascent angular distribution of the sputtered particles can be derived directly from the angular distribution of the arriving flux. The determination of the angular distribution of the metal flux at an arbitrary point in the deposition chamber is achieved by a pinhole-camera, where the information of the angular distribution is converted into a thickness profile. This thesis describes the construction of such a pinhole-camera which is capable to determine the angular distribution for a wide variety of target materials, and which can easily be inserted into a deposition chamber. In the case of non-reactive sputtering, angular distributions of different materials (Cu; W; Al; Ti; Mg), different target geometries (planar, cylindrical, rotatable) at different parameters (pressure, lateral position, and vertical position) are experimentally determined and compared to simulations obtained from a newly developed Monte Carlo code. It was also investigated, if parameters derived from the angular distribution are related to energy related parameters of the impinging particles, or to the nascent angular distribution. Also, the influence of a reactant like oxygen on the angular distribution of the arriving flux was investigated for different materials and target geometries. It was found that the addition of the reactive gas has an impact on both, the nascent angular distribution of sputtered particles as well as on the transport of the neutral metal atoms through the gas phase.