F&E Schwerpunkte / Schwerpunkt: Schichtabscheidung

Ionen- und Laserstrahlgestützte Schichtabscheidung

Bei hyperthermischen Dünnschichtsyntheseverfahren erfolgt durch niederenergetische Teilchenstrahlen ein zusätzlicher Energie- bzw. Impulseintrag in die Schichtoberfläche und das Schichtwachstum erfolgt fern ab vom thermodynamischen Gleichgewicht. So können anwendungsrelevante mechanische, optische, elektronische und magnetische Schichteigenschaften verbessert werden.

Zwei Verfahren zur hyperthermischen Dünnschichtsynthese werden am IOM verfolgt:

• Ionenstrahlgestützte Molekularstrahlepitaxie (Ion Beam Assisted Molecular Beam Epitaxy - IBA-MBE) sowie
• gepulste Femtosekundenlaserdeposition (Pulsed fs-Laser Deposition).

Mittels IBA-MBE, einem Hybrid aus herkömmlicher physikalischer Dünnschicht- und Ionenstrahltechnik, können dünne Schichten mit optimierten Eigenschaften synthetisiert werden. Charakteristisch für das IBA-MBE-Verfahren ist, dass die herzustellende dünne Schicht während des Abscheideprozesses im Vakuum simultan mit einem energetischen Ionenstrahl bestrahlt wird (Abb. 1a). Dadurch erfolgt ein Eintrag zusätzlicher Energie in die Oberfläche der wachsenden Schicht, wodurch Oberflächendiffusionsprozesse gezielt beeinflusst werden können, um Kristallinität und Mikrostruktur der erzeugten Schicht zu optimieren. Vorteile des IBA-MBE-Verfahrens sind die sehr gute Kontrollierbarkeit des Prozesses aufgrund voneinander separierter Materialstrahlen, das weite Parameterfeld, sowie die Möglichkeit, amorphe, polykristalline und nahezu einkristalline Schichten zu erzeugen. Das hauptsächliche Anwendungsgebiet stellt die Synthese nitridischer Dünnfilme (TiN, GdN und GaN; vergl. Abb. 1b) dar.

Abbildung 1: (a) Schema der ionenstrahlgestützten Deposition
(b) elektronenmikroskopische Aufnahme einer damit abgeschiedenen Galliumnitridschicht auf Lithiumaluminat.

Bei der PfsLD wird durch Bestrahlung eines Targets mit einem fokussierten Ultrakurzpulslaser im Ultrahochvakuum ein Ablationsplasma erzeugt, welches auf einem Substrat zur Abscheidung gebracht wird. Dabei ist zwar eine sehr gute Erhaltung der Stöchiometrie gegeben, es bilden sich jedoch im hoch angeregten Ablationsplasma durch Kondensation Partikulate. Unter Nutzung dedizierter Filtertechniken (Abb. 2a) ist die Abscheidung partikulatfreier, ultradünner Filme möglich. Neben der Untersuchung geeigneter Filterprinzipien erfolgt die Synthese von metallischen Multilagenschichten (Abb. 2b) sowie Nitridosilikatfilmen.

Abbildung 2: (a) Schema der gepulsten Femtosekundenlaserdeposition unter Nutzung eines transversalen Partikulatfilters
(b) TEM-Querschnittsaufnahme einer mittels PfsLD erzeugten Cr/Sc-Multilagenschicht.

Ausgewählte Publikationen zu diesem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt

• S. Sienz, J.W. Gerlach, T. Höche, A. Sidorenko, B. Rauschenbach, Ion-beam-assisted molecular-beam epitaxy: a method to deposit gallium nitride films with high crystalline quality, Thin Solid Films 458(1-2) (2004) 63-66.
• J.W. Gerlach, A. Hofmann, T. Höche, F. Frost, B. Rauschenbach, G. Benndorf, High quality m-plane GaN films deposited on gamma-LiAlO2 by ion beam assisted molecular beam epitaxy, Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 011902.
• J. W. Gerlach, J. Mennig, B. Rauchenbach, Epitaxial gadolinium nitride thin films, Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 061919.
• Yu. V. Trushin, D. V. Kulikov, K. L. Safonov, J. W. Gerlach, Th. Höche, B. Rauschenbach, Atomic assembly during ion-beam assisted growth: Kinetic modeling, J. Appl. Phys. 103 (2008) 114904.
• Th. Höche, F. Ulmer and B. Rauschenbach, Pulsed Laser Deposition using Femtosecond Laser Radiation, J Laser Micro/Nanoengineering 3 (2008) 41-45.

Kontakt

Dr. Jürgen Gerlach
    Tel.: +49 (0)341 235-3310, email: juergen.gerlach (at) iom-leipzig (Punkt) de

Prof. Dr. Thomas Höche
    Tel.: +49 (0)341 235-3310, email: thomas.hoeche (at) iom-leipzig (Punkt) de

Siehe auch

• Multilayer für die EUV-Lithographie
• Entwicklung von Breitstrahlionenquellen