Design der Strukturentwicklung in gesputterten Mehrkomponenten-Schichten mit Hilfe einer interaktiven Raytracing-Software

Abstract

Eine voll automatisierte, computergesteuerte Magnetron-Sputteranlage zur Erstellung komplexer Mehrkomponenten-Schichten wird präsentiert. Die Herangehensweise ist der Aufbau und die Charakterisierung der Anlage, das Analysieren der Materialeigenschaften von ausgesuchten Mehrkomponenten-Schichten, das Simulieren dieser Schichtsysteme mit einer Simulationssoftware, auch als Virtuelle Maschine bezeichnet, und der abschließende Vergleich von gemessenen und berechneten Materialeigenschaften. Die kombinatorische DC-Sputteranlage wurde neu designt und aufgebaut und setzt sich aus drei konfokal angeordneten Sputterquellen, einem dreh- und heizbaren Substrathalter, einem drehbaren Shutter und einer Vorreinigungsstation zusammen. Der drehbare Shutter ermöglicht die sequentielle Abscheidung der maximal drei verwendbaren Materialien. Automatisch gesteuert wird die Anlage durch ein einfach lesbares, tabellen-basiertes Rezept. Um einen konsistenten Ausgangszustand der verwendeten Stahlsubstrate zu gewährleisten, wird eine Präparationsroutine definiert. Eine native Oxidschicht, welche sich nach der Präparation bildet, beeinträchtigt die Haftfähigkeit. Optimale Haftfähigkeit der Schichten wird durch eine in-situ-Vorreinigung mittels Ionenreinigungsprozessen (Sputter-cleaning) gewährleistet. Ein optisches Messverfahren zum Monitoring des Reinigungszustandes wird präsentiert und in einer eigenen Anlage getestet. Ein wohldefinierter Laserstrahl, in dessen Reflexionsbild Information über den Oberflächenzustand enthalten ist, kommt zum Einsatz. Die Simulationssoftware zur Virtualisierung der kombinatorischen DC-Sputteranlage nennt sich Virtuelle Maschine (VM). Die Deposition wird nach dem Sichtlinienprinzip simuliert. Die VM ist modular aufgebaut, damit maximale Flexibilität und Effizienz gewährleistet sind. Die Module sind das Geometrie-, Simulations-, Post-Processingmodul und ein Modul zur aktiven Steuerung einer realen Beschichtungsanlage. Die Module sind für das Erstellen der zu simulierenden Anlage, die Simulation, das Visualisieren der Ergebnisse und das aktive Steuern einer realen Anlage zuständig. Der Vergleich von realen Schichten mit Simulationen wird schließlich auf der Basis ausgewählter Schichtsysteme durchgeführt. Betrachtet wird ein binäres, mischbares System bestehend aus Kupfer (Cu) und Zinn (Sn). Der Fokus bei diesem System liegt auf der Zusammensetzung, der Mikrostruktur der Schicht, der Oberflächenmorphologie und der Kornstruktur im Querschliff. Das zweite betrachtete System besteht aus Silber (Ag), Kupfer (Cu) und Blei (Pb). Hier wird, zusätzlich zu den oben genannten Materialeigenschaften, die Schichtspannung mittels röntgenographischer Spannungsermittlung (RSE) untersucht. Nach der Erstellung und Charakterisierung der Schichten wird der Vergleich mit Simulationen der Virtuellen Maschine durchgeführt. Mit der VM sind die Verteilung, die Zusammensetzung, das Blockdiagramm, der Phasenplot und Beugungsdiagramme berechen- und vergleichbar. Das Blockdiagramm stellt eine höhenaufgelöste Zusammensetzung der auftretenden Materialien dar. Der Phasenplot erweitert das Blockdiagramm um die auftretenden kristallographischen Phasen, entnommen aus binären Phasendiagrammen, ebenfalls über die Höhe aufgelöst. Abschließend, unabhängig von der Virtuellen Maschine, wird das Wachstumsverhalten von Blei auf Kupferschichten untersucht. Das erwartete Inselwachstum wird mit dem theoretischen Konzept der Ratengleichungen beschrieben und experimentell überprüft.

A fully automated, computer-controlled magnetron sputtering system for creating complex multicomponent coatings is presented. The approach is to build and characterize the coating system, analyze the material properties of selected multicomponent coatings, simulate these coatings with a simulation software, also known as a virtual machine, and finally compare measured and calculated material properties. The combinatorial DC sputtering system was newly designed and built. It is composed of three confocally arranged sputtering sources, a rotatable and heatable substrate holder, a rotatable shutter and a pre-cleaning station. The rotatable shutter allows sequential deposition of up to three materials. The system is automatically controlled by an easy-to-read, table-based recipe. To ensure a consistent initial state of the used steel substrates, a preparation routine is defined. A native oxide layer, which forms after preparation, impairs adhesion. Optimum adhesion of the layers is ensured by in-situ pre-cleaning using ion cleaning processes (sputter-cleaning). An optical measurement method for monitoring the cleaning condition will be presented and tested in a dedicated unit. A well-defined laser beam, whose reflection image contains information about the surface condition, is used. The simulation software for the virtualization of the combinatorial DC sputtering system is called Virtual Machine (VM). The deposition is simulated using a line-of-sight model. The VM is modular to ensure maximum flexibility and efficiency. The modules are the geometry module, simulation module, post-processing module and a module for active control of a real deposition system. The modules are responsible for creating the plant to be simulated, simulation, visualizing the results and actively controlling a real plant. Finally, the comparison of real coatings with simulations is performed on the basis of selected coating systems. A binary miscible system consisting of copper (Cu) and tin (Sn) is presented. The focus in this system is on the composition, the microstructure of the coating, the surface morphology and the grain structure in the cross section. The second system considered consists of silver (Ag), copper (Cu), and lead (Pb). Here, in addition to the above mentioned material properties, the residuad stress of the coating is investigated by means of radiographic stress analysis (RSE). After the coatings are created and characterized, the comparison is made with Virtual Machine simulations. With the VM, the distribution, composition, block diagram, phase plot and diffraction patterns are calculable and comparable. The block diagram represents a height-resolved composition of the occurring materials. The phase plot extends the block diagram by crystallographic phases, taken from binary phase diagrams, also resolved by height. Finally, independently of the virtual machine, the growth behavior of lead on a copper base layer is investigated. The expected island growth is compared with the theoretical concept of rate equations.