Untersuchung und Modellierung von Teilchenströmen in einem Beschichtungsprozess basierend auf Ionenstrahlzerstäubung

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autorschaft

  • Wjatscheslaw Sakiew

Organisationseinheiten

Forschungs-netzwerk anzeigen

Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoctor rerum naturalium
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Detlev Ristau, Betreuer*in
Fördernde Institution(en)
  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Datum der Verleihung des Grades14 Juni 2024
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 26 Juni 2024

Abstract

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.

Zitieren

Untersuchung und Modellierung von Teilchenströmen in einem Beschichtungsprozess basierend auf Ionenstrahlzerstäubung. / Sakiew, Wjatscheslaw.
Hannover, 2024. 131 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Sakiew, W 2024, 'Untersuchung und Modellierung von Teilchenströmen in einem Beschichtungsprozess basierend auf Ionenstrahlzerstäubung', Doctor rerum naturalium, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/17545
Download
@phdthesis{65317528b944495a94144de0b6e572dd,
title = "Untersuchung und Modellierung von Teilchenstr{\"o}men in einem Beschichtungsprozess basierend auf Ionenstrahlzerst{\"a}ubung",
abstract = "Die Ionenstrahlzerst{\"a}ubungsdeposition erm{\"o}glicht die Herstellung von kompakten Schichten und Schichtsystemen mit amorpher Mikrostruktur und niedrigsten prozessinduzierten Defektdichten. Demgegen{\"u}ber stehen im Vergleich zu anderen auf physikalischer Gasphasenabscheidung basierenden Beschichtungsverfahren h{\"o}here Herstellungskosten, eine kleinere homogene Beschichtungsfl{\"a}che und eine geringere Beschichtungsrate. Durch einen {\"U}bertrag der hohen Schichtqualit{\"a}t auf gr{\"o}{\ss}ere Beschichtungsfl{\"a}chen, {\"u}ber den {\"u}blichen Kreisdurchmesser von derzeit etwa 300 mm hinaus, k{\"o}nnten einerseits neue Anwendungen z.B. in Astronomie, Weltraum und Hochenergiephysik erm{\"o}glicht werden. Andererseits k{\"o}nnte ein h{\"o}herer Materialnutzungsgrad die Technologie auf einem gr{\"o}{\ss}eren Markt positionieren sowie den Verbrauch von kritischen Rohstoffen reduzieren. Zum Erreichen dieser Zielstellungen m{\"u}ssen die Teilchenstr{\"o}me 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 Zerst{\"a}ubung 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 polarwinkelabh{\"a}ngigen integralen Zerst{\"a}ubungsausbeute und damit auch weniger von Wechselwirkungsmechanismen auf atomarer Ebene. Weiterhin zeigen die Experimente auf, dass f{\"u}r eine Vergr{\"o}{\ss}erung der nutzbaren Beschichtungsfl{\"a}che eher die {\"u}ber die Fl{\"a}che variierenden Schichteigenschaften und weniger die Schichtdickenhomogenit{\"a}t eine Herausforderung darstellen. Ausgehend von den Experimenten wird ein Modell f{\"u}r die Prim{\"a}rteilchen, die den breiten Ionenstrahl bilden, und die Sekund{\"a}rteilchen, die das vom Target abgest{\"a}ubte Material beschreiben, aufgestellt. Das Modell best{\"a}tigt, dass die Form der Targeterosion qualitativ betrachtet wenig von der integralen Zerst{\"a}ubungsausbeute abh{\"a}ngt. Es sagt auch eine starke Durchmischung der Prim{\"a}rteilchentrajektorien voraus. Im Hinblick auf die Schichtdickenverteilungen ist ein Ergebnis, dass der verbreitete Ansatz, den von einem Target zerst{\"a}ubten Teilchenstrom aus rotationssymmetrischen und ggf. entarteten Kosinusemittern zu {\"u}berlagern, f{\"u}r 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 {\"U}bereinstimmung zwischen 3D-Modell und Experiment. Als Begr{\"u}ndung wird die Ber{\"u}cksichtigung sowohl von isotropen als auch anisotropen Anteilen bei der Zerst{\"a}ubung eines Festk{\"o}rpers gesehen. Weiterhin wird die Zerst{\"a}ubung 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 Targetoberfl{\"a}che scheint dagegen ein wichtiger Mechanismus innerhalb der reaktiven Ionenstrahlzerst{\"a}ubungsdeposition zu sein, was bisher bei dieser Technologie weitestgehend au{\ss}er Acht gelassen wurde.",
author = "Wjatscheslaw Sakiew",
year = "2024",
month = jun,
day = "26",
doi = "10.15488/17545",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

Download

TY - BOOK

T1 - Untersuchung und Modellierung von Teilchenströmen in einem Beschichtungsprozess basierend auf Ionenstrahlzerstäubung

AU - Sakiew, Wjatscheslaw

PY - 2024/6/26

Y1 - 2024/6/26

N2 - 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.

AB - 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.

U2 - 10.15488/17545

DO - 10.15488/17545

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -