Systematic investigation of the ion beam sputter deposition process of TiO2

• Applicant: Dr. Carsten Bundesmann
• Subject Area: Glass, Ceramics and Derived Composites ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2010 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 191257240

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Ziel des Projekts waren umfassende und systematische Grundlagenuntersuchungen des Schichtabscheideprozesses mittels Ionenstrahlzerstäubens (Ionenstrahlschichtabscheidung). Bei der Ionenstrahlschichtabscheidung trifft ein Strahl energetischer Teilchen (Primärionen) auf ein Target, als Folge dessen Targetteilchen zerstäubt werden. Diese Teilchen kondensieren auf einem Substrat und bilden eine Schicht. Zudem werden Primärteilchen am Target gestreut. Es ist hinreichend bekannt, dass die Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen (Teilchensorte, Teilchenflussdichte und Energie) einen starken Einfluss auf die Schichteneigenschaften haben. Die Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen hängen stark von der Abscheidemethode und den Prozessparametern ab. Obwohl die Ionenstrahlschichtabscheidung schon seit mehreren Jahrzehnten (auch industriell) genutzt wird, so fehlten jedoch bisher systematische Grundlagenuntersuchungen zum Zusammenhang zwischen den Prozessparametern, den Teilchen- und den Schichteigenschaften. Im Projekt wurden deshalb Untersuchungen an mehreren Beispielsystemen durchgeführt: Ag (Metall), Si und Ge (Halbleiter), TiO2 und SiO2 (Dielektrika). In Abhängigkeit von den Ionenstrahlparametern (Ionensorte, Ionenenergie) und geometrischen Parametern (Ioneneinfallswinkel und Emissionswinkel der schichtbildenden Teilchen) wurden die Teilcheneigenschaften gemessen und Schichten abgeschieden. Anschließend wurden umfangreiche Experimente zur Bestimmung der Schichteigenschaften durchgeführt. Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: o Die wesentlichen Prozessparameter sind die Streugeometrie (Streuwinkel) und die Ionensorte (genauer die Masse der Ionen im Verhältnis zur Masse der Targetatome). Ionenenergie und Einfallswinkel (bei gleichem Streuwinkel) haben eine untergeordnete Bedeutung. o Die Energie der zerstäubten Targetteilchen ist geringer als die der gestreuten Primärteilchen und zeigt nur geringere Änderung bei der Verwendung unterschiedlicher Ionensorten. Sie nimmt aber mit zunehmender Ionenenergie und abnehmendem Streuwinkel zu. o Die gestreuten Primärteilchen können eine Maximalenergie von mehreren 100 eV erreichen. Die mittlere Energie nimmt mit abnehmenden Streuwinkel und zunehmender Ionenenergie zu. Es gibt deutliche Unterschiede für die verschiedenen Ionensorte, die auf die Abhängigkeit des Impuls- und Energieübertrags vom Masseverhältnis der Wechselwirkungspartner zurückzuführen ist. o Alle untersuchten Schichteigenschaften (Schichtdicke, Wachstumsrate, strukturelle Eigenschaften, Zusammensetzung, Oberflächenrauigkeit, Massendichte, optische oder elektrische Eigenschaften) zeigen eine deutliche Korrelation mit den Prozessparametern, aufgrund der oben genannten Zusammenhänge für die Teilcheneigenschaften. Besonders hervorgehoben werden muss, dass die gestreuten Primärionen den dominanten Einfluss auf die Änderungen der Schichteigenschaften haben. Dieser Fakt wurde bisher nur unzureichend berücksichtig. Die durchgeführten Arbeiten zeigen eindrucksvoll, dass das Ionenstrahlzerstäuben die Möglichkeit bietet, die Schichteigenschaften gezielt über einen großen Variationsbereich zu beeinflussen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind von großer technologischer Bedeutung, da sie es erstmals ermöglichen, das volle Potential der Ionenstrahlschichtabscheidung zu nutzen.

Publications

• Systematic investigations of low energy Ar ion beam sputtering of Si and Ag. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 317A (2013) 137-142
  R. Feder, F. Frost, H. Neumann, C. Bundesmann, B. Rauschenbach
  
• Ion beam sputter deposition of Ag films: Influence of process parameters on electrical and optical properties, average grain sizes. Thin Solid Films 551 (2014) 46-52
  C. Bundesmann, R. Feder, J.W. Gerlach, H. Neumann
  
• Ion beam sputtering of germanium - Energy and angular distribution of sputtered and scattered particles. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 334 (2014) 88-95
  R. Feder, C. Bundesmann, H. Neumann, B. Rauschenbach
  
• Energy distribution of secondary particles in the ion beam sputter deposition process of Ag: Experiment, Calculation and Simulation. Contrib. Plasma Phys. 55 (2015) 737-746
  C. Bundesmann, R. Feder, T. Lautenschläger, H. Neumann
  
• Ion beam sputter deposition of Ge films: Influence of process parameters on film properties. Thin Solid Films 589 (2015) 487-492
  C. Bundesmann, R. Feder, R. Wunderlich, U. Teschner, M. Grundmann, H. Neumann
  
• Ion beam sputtering of Ti: Influence of process parameters on angular and energy distribution of sputtered and backscattered particles. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 385 (2016) 30-39
  T. Lautenschläger, R. Feder, H. Neumann, C. Rice, M. Schubert, C. Bundesmann
  
• Correlation of process parameters and properties of TiO2 films grown by ion beam sputter deposition from a ceramic target. Eur. Phys. J. B 90 (2017) 187 (pages 1-11)
  C. Bundesmann, T. Lautenschläger, D. Spemann, A. Finzel, M. Mensing, F. Frost
  
• Reactive ion beam sputtering of Ti: Influence of process parameters on angular and energy distribution of sputtered and backscattered particles. J. Vac. Sci. Technol. A 35 (2017) 041001 (pages 1-17)
  T. Lautenschläger, C. Bundesmann
  
• Systematic investigation of the properties of TiO2 films grown by reactive ion beam sputter deposition. Appl. Surf. Sci. 421 (2017) 331-340
  C. Bundesmann, T. Lautenschläger, D. Spemann, A. Finzel, E. Thelander, M. Mensing, F. Frost
  
• Systematic investigation of the reactive ion beam sputter deposition process of SiO2 Eur. Phys. J. B 91 (2018) 45 (pages 1-8)
  M. Mateev, T. Lautenschläger, D. Spemann, A. Finzel, J.W. Gerlach, F. Frost, C. Bundesmann