‘Hot’ targets: een experimentele en modelstudie van warme kathode oppervlakken

Groep: DRAFT
Contactpersonen/begeleiders: prof. Diederik Depla en dr. Koen Strijckmans
Promotoren:  prof. Diederik Depla en dr. Koen Strijckmans

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Reactief magnetron sputterdepositie:

In de hedendaagse wereld zijn dunne deklagen of coatings technologisch onmisbaar geworden. 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. Magnetron sputterdepositie neemt hier onbetwist een prominente positie in. 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.

Probleemstelling:

De ionen gevormd in de ontlading bombarderen de kathode of target waarvan er atomen worden weggeslagen. De energie-efficiëntie van dit sputterproces is echter laag en grootste deel van de ionenenergie wordt omgezet in thermische energie die de target en zijn oppervlak opwarmt. De target zou smelten of ernstig beschadigd raken indien er geen degelijke koeling wordt voorzien. Gecontroleerde target verwarming kan echter ook zijn voordelen hebben. Magnetische materialen bijvoorbeeld, zijn moeilijk te sputteren in een magnetron. Wanneer nu de targettemperatuur boven de Curie temperatuur van het materiaal wordt gebracht, kunnen hogere depositie snelheden worden bereikt. Daarnaast kan targetverwarming ook voordelig zijn voor materialen met een hoge dampspanning waarbij opnieuw hogere depositie snelheden kunnen worden bereikt. Dit komt door een bijkomende verdamping of sublimatie van het materiaal, naast het sputteren. Wanneer nu een reactief gas wordt toegevoegd aan het proces, kan de nefaste chemische reactie aan het target oppervlak worden vertraagd wat de proces stabiliteit ten goede komt. Naast deze procesvoordelen, betekent een hogere targettemperatuur, een reductie van de koelingscapaciteit wat resulteert in een ‘groener’ of duurzamere depositie techniek.

Ondanks dit soms onderschatte efficiëntie potentieel, ontbreekt er een goede beschrijving van de oppervlaktetemperatuur van de target. Dit komt door de inherente complexiteit van het reactief sputter proces. Fysische processen zoals de energie aanlevering door de bombarderende ionen, warmte verliezen door straling en thermische geleidbaarheid doorheen de target moet worden gekwantificeerd om de target oppervlak temperatuur te kunnen beschrijven. Deze master thesis zal deze problemen aanpakken in een experimenteel gevalideerd model.

Doelstelling:

Deze thesis is tweeledig. Enerzijds vormt de experimentele bepaling van de target temperatuur een belangrijke uitdaging. Om dit te bereiken zal de student onder onze begeleiding een bestaande opstellingen dienen aan te passen. Technische vaardigheid, creativiteit en een probleemoplossend denkvermogen komen hier goed van pas. De aangepaste opstelling zal je in staat stellen om de targettemperatuur te monitoren als functie van de verschillende depositie omstandigheden.

Anderzijds zullen de experimentele resultaten worden geverifieerd door een model. Om dit te bereiken, kan de student steunen op een lange traditie binnen de onderzoeksgroep van het modelleren van diverse aspecten van het reactief sputter proces. Door het fitten van deze modellen aan de verworven experimentele resultaten, kunnen cruciale parameters worden bepaald die experimenteel moeilijk te achter halen zijn. Op deze manier vormt deze thesis een belangrijke bijdrage aan het beter begrijpen en beschrijven van de fysica achter deze belangrijke depositie techniek.

We zoeken een enthousiaste student met zin voor experimenteel en computationeel fundamenteel onderzoekswerk. We bieden jou een aangename omgeving waar je samenwerkt met verschillende onderzoekers, niet allen aan jou eigen bureau maar ook in het labo. Samen met je begeleider en promotoren werk je toe naar een vernieuwend en volwaardig werkstuk.