Biaxiaal getextureerde lagen door middel van HIPIMS

Transcriptie

1 Biaxiaal getextureerde lagen door middel van HIPIMS Dunne lagen zijn vaak getextureerd. Dit houdt in dat de opbouwende korrels een welbepaalde kristallografische oriëntatie hebben. Een voorbeeld zijn biaxiaal getextureerde dunne lagen. Zoals de naamgeving verklapt zijn in de korrels in deze dunne lagen volgens twee kristallografische richtingen georiënteerd, een beetje vergelijkbaar met tegels in een vloer. Ze werden in oorsprong vooral bestudeerd als bufferlaag voor dunne film supergeleiding. De invloed van de depositieomstandigheden op de biaxiale alignatie van de korrels is voor klassieke depositietechnieken vrij goed gekend, maar tot op heden is er weinig onderzoek naar de groeimechanismen van dergelijke lagen bij HIPIMS, een vrij recente depositietechniek. Doelstelling HiPIMS is het acroniem voor high power impulse magnetron sputtering. Bij sputterdepositie wordt een hoogenergetisch gas (a physical vapour) aangemaakt door ionen te laten inslaan op een kathode waarna deze op het substraat condenseren als een dunne laag. Bij magnetron sputteren worden de ionen gevormd door een plasma te generen. Wanneer het plasma onderhouden wordt door een DC voeding, verwijzen we naar deze techniek als DC magnetron sputterdepositie. Bij HIPIMS wordt het vermogen gepulst. De vermogenpuls is kort, maar zeer intens. Hierdoor worden de gesputterde atomen ook geïoniseerd. De pulsduur, en frequentie bepalen samen met het vermogen dat aan het plasma geleverd de fractie geïoniseerde deeltjes in het plasma. Dit bepaalt in sterke mate het groeimechanisme van de dunne laag. Door de juiste condities (energie, kanteling van het substraat en andere) op te leggen tijdens de laaggroei, kan de graad van biaxiale alignatie van de korrels beïnvloed worden. In deze thesis onderzoeken we de invloed van de hogere energie en impuls van de gesputterde Cr atomen op de biaxiale textuur. De invloed van andere procesparameters, eigen aan HIPIMS, op de plasma eigenschappen zullen eveneens onderzocht worden. Op deze wijze kan een vergelijkende studie gemaakt worden tussen DC sputteren en HiPIMS. We zoeken een enthousiaste student(e) met zin voor experimenteel werk. Interesse in onderzoek naar nieuwe materialen is een pluspunt. Tijdens de thesis komen zowel fundamentele onderzoeksvragen gerelateerd aan de eigenschappen van deze materialen aan bod, en je scherpt via het gebruik van en de aanpassingen aan experimentele opstellingen ook je experimentele (ingenieurs)kwaliteiten aan. We geven jou, naast een plaats en bureau, een leuke omgeving om samen te werken met verschillende onderzoekers. Samen met je begeleider zullen zij voor voldoende ondersteuning zorgen. Meer informatie op Contactpersonen : Diederik.Depla@ugent.be, Filip.Moens@ugent.be

2 Karakterisering van het ionenstroomprofiel tijdens magnetron sputteren Reactief Magnetron Sputterdepositie In de hedendaagse wereld zijn dunne deklagen of coatings onmisbaar geworden. Ze leveren een belangrijke bijdrage aan de technologische vooruitgang in allerhande vakgebieden. De voornaamste reden hiervoor is het belang van het oppervlak bij de interactie tussen een materiaal en zijn omgeving. Er bestaan verschillende depositietechnieken voor het aanbrengen van zulke deklagen met elk hun voor en nadelen. Eén van die technieken is magnetron sputterdepositie. Deze techniek is gebaseerd op een magnetisch geassisteerde gasontlading. De gevormde ionen in het plasma bombarderen de kathode of target waardoor atomen uit de target worden losgeslagen. Deze gesputterde atomen propageren vervolgens naar het substraat en condenseren tot een deklaag. Bij reactief sputteren worden ook niet inert gassen zoals zuurstof of stikstof aan de gasontlading toegevoegd. Hierdoor kunnen ook oxiden en nitriden als deklaag met aangepaste stoichiometrie gevormd worden. Door het plaatsen van magneten achter de kathode wordt een magnetron bekomen. Hierbij worden de elektronen, de hoogenergetische deeltjes die de gasontlading onderhouden, door het magneetveld nabij de kathode gebonden. De elektronen kunnen daardoor pas de anode bereiken wanneer ze het merendeel van hun energie hebben verloren. De benodigde gasdruk om de ontlading te onderhouden is dan, in tegenstelling tot een diodeontlading, substantieel lager. Dit bevordert de groei van deklagen op het substraat. Schematische voorstelling van het magnetron sputterdepositieproces. Het magneetveld heeft echter nog een ander effect, het induceert een niet uniforme verdeling van de invallende ionen op de kathode. Dit resulteert in de vorming van de zogenaamde racetrack, een gebied met ongelijkmatige erosie van de target. De vorm van de racetrack is eenvoudig te meten, maar deze is niet noodzakelijk gelijk aan het niet uniforme ionenstroomprofiel. De noodzaak van een directe bepaling van dit stroomprofiel dringt zich daarom op. Doelstelling: Deze thesis behandelt de experimentele bepaling van het ionenstroomprofiel. Hiervoor zal de student(e) een bestaande opstelling aanpassen om vervolgens de invloeden van verschillende procesparameters op het stroomprofiel te onderzoeken. Met het bekomen profiel is het mogelijk om fundamentele vraagstukken binnen het reactief sputterproces verder te bestuderen. Uitbreidingen met specifieke simulaties en/of bijkomende experimenten zullen hierbij leiden tot vernieuwende antwoorden.

3 Samengevat: We zoeken een enthousiaste student met zin voor het experimentele onderzoekswerk. We geven jou, naast een plaats en een bureau, fijne collega's en een leuke omgeving om te werken omringd door verschillende onderzoekers. Samen met je promotoren en begeleiders werk je toe naar een vernieuwend en volwaardig werkstuk. Meer informatie op Contactpersonen

4 Bouwen aan een dieper begrip van reactief magnetron sputterdepositie Reactief magnetron sputterdepositie is een sterk geëvolueerde industriële techniek voor het afzetten van dunne lagen, zoals bijvoorbeeld in de vensterglasindustrie om hoog rendementsglas te produceren. Typische laagdiktes variëren hierbij van enkele nanometers tot de orde micrometer. Conceptueel gezien is de techniek vrij eenvoudig. De techniek is gebaseerd op een magnetisch geassisteerde gasontlading van een inert gas, zoals Ar, en een reactief gas, zoals Torusvormige plasma boven de target. zuurstof. De gevormde ionen in het plasma bombarderen een kathode of target waardoor atomen uit de target worden losgeslagen. Deze gesputterde atomen propageren vervolgens naar het substraat en condenseren tot een deklaag. Hierbij kan er tussen de condenserende gesputterde deeltjes en de reactieve gasmoleculen een chemische reactie optreden wat resulteert in een geoxideerde deklaag. Deze oxidatie zal echter bij een voldoende hoog reactief gasdebiet niet enkel optreden aan het substraatoppervlak maar ook op de target. Dit is vanuit technologisch standpunt nefast omdat de depositiesnelheid hierdoor drastisch daalt. Wanneer deze abrupte verandering optreedt, is het niet eenvoudig om de target terug oxidevrij te krijgen, want het proces vertoont een hysteresisgedrag in zijn depositieomstandigheden als functie van het reactief gasdebiet. Achter deze ogenschijnlijk eenvoudig techniek schuilt echter een complex samenspel van verschillende fysische en chemische processen. Om een gedetailleerd en voorspellend inzicht te krijgen in dit proces, is een intense wisselwerking tussen modelleren en experimenteren onontbeerlijk. In de onderzoeksgemeenschap bestaat er een weelde aan modellen om de verschillende (deel)aspecten van het proces te simuleren. Deze modellen kunnen zich heel specifiek en kwantitatief focussen op, bijvoorbeeld de ion vastestofinteracties, het plasma, het deeltjestransport of de dunne filmgroei. Anderzijds bestaan er meer globale, maar minder gedetailleerde modellen die het volledige proces trachten te beschrijven. Het doel van de onderzoeksgemeenschap is echter het realiseren van een globaal, kwantitatief model voor (reactief) sputterdepositie met een zo klein mogelijke complexiteit maar een maximaal fysisch begrip. Doelstelling: Experimenteel onderzoek en modelleren van het reactief sputterproces vormen een rode draad binnen de onderzoeksgroep DRAFT. Er wordt zowel onderzoek verricht naar het fundamentele (reactieve) sputter proces, als naar de eigenschappen van de afgezette deklagen. Dit thesisvoorstel situeert zich meer op de fundamentele aspecten van het sputterproces. Een

5 combinatie van modelleren/simuleren en experimenteel onderzoek behoort tot de mogelijkheden. Op basis van jouw interesses kan je thesis meer (of volledig) georiënteerd zijn op computationeel of experimenteel werk. Op computationeel vlak staan er twee eigen ontwikkelde codes ter beschikking: RSD2013, een globaal model dat focust op het hysteresiseffect tijdens reactief sputteren en SiMTra, een Monte Carlo model dat het transport van gesputterde deeltjes in de vacuümkamer beschrijft. Berekeningen op de computercluster van de UGent zijn een mogelijkheid. Op experimenteel vlak kan gesteund worden op de brede expertise en connecties van de onderzoeksgroep DRAFT, en de nodige experimentele infrastructuur zowel binnen als buiten onze universiteit. Doorsnede van de oxidatietoestand van de target gesimuleerd met RSD2013. De doelstelling van deze thesis ligt dan ook nog heel ruim en wordt in onderling overleg overeengekomen. Enkele niet beperkende voorbeelden maken de mogelijkheden duidelijk: De ontwikkeling van een feedback control (in LabView) voor de sturing van een hysteresisexperiment. Uitbreiding van het RSD2013/SiMTra model voor het gebruik van meerdere reactieve gassen. Het koppelen van een Monte Carlo model voor de ion vastestofinteractie aan het RSD2013 model. Het ontwikkelen van een model dat de gasdynamica in een vacuümkamer beschrijft, waarbij die getoetst kan worden aan alternatieve, bestaande modellen en/of experimenten. Samengevat: De doelstelling van deze thesis kadert in het beter begrijpen van het reactief sputterproces. We zoeken een enthousiaste student(e) met zin voor modelleren en/of experiment. We geven jou, naast een plaats en een bureau, een leuke omgeving om samen te werken met verschillende onderzoekers. Samen met je begeleider zullen zij voor voldoende ondersteuning zorgen. Kom gerust eens vrijblijvend langs om uw interesse en mogelijkheden rond dit onderwerp af te toetsen! Meer informatie op Contactpersonen