Bouwen aan een dieper begrip van reactief magnetron sputterdepositie

Groep: DRAFT

Contactpersonen: Roeland Schelfhout, Koen Strijckmans, Prof. Diederik Depla

Probleemstelling

Torusvormige plasma boven de target.
Torusvormige plasma boven de target.
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 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

RSD simulatie van de target oxidatie
RSD simulatie van de target oxidatie
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 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.

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!