Wachstum amorpher Schichten: Vergleich von Experiment und Simulation im Bereich Oberflächenrauhigkeit und mechanische Spannungen
Growth of amorphous thin films: Comparison of experiment and simulation concerning surface roughness and mechanical stresses
by Stefan Georg Mayr
Date of Examination:2000-11-01
Date of issue:2001-07-04
Advisor:Prof. Dr. Konrad Samwer
Referee:Prof. Dr. Konrad Samwer
Referee:Prof. Dr. Annette Zippelius
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2864
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Description:Dissertation
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Abstract
English
Structure formation and mechanical stresses of amorphous and polycrystal films, prepared by evaporation, sputtering and PLD, are investigated, and modelled with the help of Monte-Carlo simulations, molecular dynamics simulations and continuum growth models.The growth of amorphous vapor deposited films is characterized by a pronounced structure formation and intrinsic mechanical stresses in dependence of the film thickness, independent of the details of the alloy. In contrast, films prepared by sputtering and PLD are much smoother. After substrate dependent early stages of growth, film growth in the medium film thickness regime (typ. 100nm) can be characterized by rather smooth growth. In the late stages of growth, the films roughen significantly. By a systematic experimental variation of the preparation parameters, it is possible to identify the major atomic mechanisms of mesoscopic structure formation and intrinic film stresses, and to correlate both aspects. In the framework of continuum growth models, which include surface diffusion, self shadowing and hill coalescence as major atomic mechanisms, a quantitative understandig of structure and tensile stresses in the high film thickness regime is possible. A surface reconstruction mechanism can explain the measured compressive stresses. It is also possible to study relaxation mechanisms in this framework.By a combination of experiments, numerical analysis and modelling with discrete and continuum models, it is possible to identify dominant mechanism on the atomic scale concerning their mesoscopic and macroscopic effects in experiment and theory and to compare with each other.
Keywords: Thin films; UHV; electron beam evaporation; sputtering; PLD; metallic glasses; polymorphous crystallization; scanning tunneling microscopy; surface morphology; X-ray diffraction; mechanical stresses; electrical resistivity; Monte-Carlo simulation; molecular dynamics simulation; continuum growth model; stochastic partial differential equation
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Es werden Strukturbildung und mechanische Spannungen an amorphen und polykristallinen Aufdampf-, Sputter- und PLD-Schichten untersucht und mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen, Molekulardynamiksimulationen und Kontinuumswachstumsmodellen modelliert.Das Wachstum amorpher Aufdampfschichten zeichnet sich - unabhängig von den Details der verwendeten Legierung - durch eine deutliche Strukturbildung und intrinsische mechanische Wachstumsspannungen in Abhägigkeit von der Schichtdicke aus. Demgegenüber sind Sputter- und PLD-Schichten deutlich glatter. Nach substratabhängigen Frühstadien ist das Schichtwachstum von Aufdampfschichten im Bereich mittlerer Schichtdicken (typ. 100nm) durch relativ glattes Wachstum unter kontinuierlichem Druckspannungsaufbau charakterisiert. In den Wachstumsspätstadien rauhen die Oberflächen unter deutlichem Zugspannungsaufbau stark auf. Durch systematische experimentelle Variation der Herstellungsparameter ist es möglich, die wesentlichen atomaren Mechanismen der mesosopischen Strukturbildung und Wachstumsspannungen zu klären, und einen Zusammenhang zwischen beiden Aspekten herzustellen. Im Rahmen von Kontinuumswachstumsmodellen, denen Oberflächendiffusion, Selbstabschattung und Hügelkoaleszenz als wesentliche atomare Mechanismen zugrunde liegen, ist ein quantitatives Verständnis der Strukturbildung und der Zugspannungen im Bereich großer Schichtdicken möglich. Ein Oberflächenrekonstruktionsmechanismus kann die gemessenen Druckspannungen bei mittleren Schichtdicken erklären. Auch Relaxationsmechanismen können in diesem Rahmen studiert und verstanden werden.Durch eine Kobination experimenteller Untersuchungen, numerischer Datenanalyse und Modellierung mit diskreten Modellen und Kontinuumsmodellen ist es möglich, wesentliche Mechanismen auf atomarer Skala hinsichtlich ihrer mesoskopischen oder makroskopischen Auswirkungen in Experiment und Theorie zu verstehen und miteinander zu vergleichen.
Schlagwörter: Dünne Schichten; UHV; Elektronenstrahlverdampfen; Sputtern; PLD; Metallene Gläser; Polymorphe Kristallisation; Rastertunnelmikroskopie; Oberflächenmorphologie; Röntgenbeugung; Mechanische Spannungen; Elektrische Widerstandsmessung; Monte-Carlo-Simulation; Molekulardynamiksimulation; Kontinuumswachstumsmodell; stochastische partielle Differentialgleichung