In situ Untersuchungen von Keimbildungs- und Wachstumsprozessen bei niedriger Temperatur während des Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputterns

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Faupel; Professor Dr. Peter Müller-Buschbaum; Professor Dr. Stephan Volkher Roth
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459798762

In den letzten Jahren hat Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern (HiPIMS) in Forschung und Industrie zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Bei HiPIMS wird das Target mit kurzen, extrem intensiven Pulsen versorgt. Die mittlere Leistung ist mit der konventionellen Magnetronsputterns (MS) vergleichbar, um die Integrität des Targets zu erhalten. Unter diesen Bedingungen ist der gesputterte Metalldampf zu über 70 % ionisiert, etwa zwei Größenordnungen höher als bei MS. Die Beschleunigung der Ionen im Plasmapotential oder durch externe Vorspannung ermöglicht die Abscheidung von Schichten mit höherer Härte, Dichte, Brechungsindex, Leitfähigkeit und besserer Haftung. Die hohe Energie pro Teilchen und die lokale Wärmefreisetzung bei der Rekombination von Ionen und Elektronen auf dem Substrat ermöglichen die Abscheidung von kristallinen, auch metastabiler Phasen, bei weit niedrigeren Temperaturen als durch das thermische Gleichgewicht definiert oder als bei herkömmlichem MS erreicht. Die durchschnittliche Energie, die das Substrat erreicht, ist niedriger als bei normalem MS, was die Erwärmung des Substrats deutlich verringert. Daher ist HiPIMS sehr interessant für die Abscheidung hochwertiger Filme auf Polymeren und wärmeempfindlichen Substraten, die keine Wärmebehandlung während oder nach der Abscheidung erlauben. Trotz des schnell wachsenden Interesses ist wenig über die Keimbildungs- und Wachstumsprozesse bei niedrigen Temperaturen während HiPIMS bekannt, und es liegen keine in-situ-Untersuchungen vor. Im vorliegenden gemeinsamen Antrag planen wir, die Filmbildung während HiPIMS auf wärmeempfindlichen Substraten bei niedrigen Temperaturen zu verstehen: Keimbildung, Wachstum, Kristallisation und Kornstrukturentwicklung. Unser Ansatz basiert auf Echtzeit-Untersuchungen mit Synchrotron basierter Röntgen-Kleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Wir haben bereits eine Zeitauflösung auf der sub-ms-Skala, der Skala der Einzelpulse in HiPIMS, demonstriert. Simultane Weitwinkelstreuung ermöglicht die in-situ-Messung von Phasenbildungs- und Transformationsprozessen. Die Echtzeitmessungen werden durch Strukturuntersuchungen mit hochauflösender Elektronen- und Rasterkraftmikroskopie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, optischer Spektroskopie und Charakterisierung der funktionellen Dünnschichteigenschaften ergänzt. Aufgrund des fundamentalen wie auch technologischen Interesses werden wir die Abscheidung von Au und Ag als metallische Systeme und von TiO2 und MoO3 als Oxide untersuchen. Vor der Untersuchung der komplexeren Filmbildungsprozesse auf ausgewählten Polymeren werden wir Si als Referenzsubstrat verwenden. Zum Vergleich planen wir, konventionelles MS durchzuführen. Die Materialkombinationen sind im Hinblick auf verschiedene Anwendungen in organischer Photovoltaik und Photokatalyse ausgewählt; die entsprechenden Eigenschaften der geputterten Schichten werden in den Bauelementen untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen