Analyse der Glättung rauer Oberflächen durch Dünnschichtdeposition

Abstract

In der vorliegenden Dissertation soll untersucht werden, inwieweit es möglich ist, eine raue Oberfläche durch das Aufwachsen einer dünnen Schicht zu glätten. Die Theorie zur wachstumsbedingten Aufrauung und Glättung sagt voraus, dass der Glättungsprozess frequenzabhängig abläuft. Hierbei gibt die Charakteristik der Frequenzabhängigkeit Hinweise auf die atomaren Transportmechanismen, die für die Veränderung der Oberflächenmorphologie verantwortlich sind. Im ersten Teil der Arbeit werden unterschiedliche Glättungsmaterialien aus verschiedenen Materialklassen untersucht: ein kristallines Metall (Ag), amorpher Kohlenstoff (C), zwei Polymere (PMMA und PC) und ein amorphes Oxid (ZrO2). Als raues Substrat werden periodisch strukturierte Si-Wafer mit einer Rauigkeit von 1,1-1,3 nm verwendet, bei denen systematisch die Glättung einer charakteristischen Oberflächenfrequenz untersucht und für verschiedene Materialien verglichen werden kann. Die zur vollständigen Glättung dieser Frequenz benötigte Schichtdicke und die erreichte Endrauigkeit sind hierbei die wichtigen Parameter zur Bewertung der Effizienz des Glättungsvorgangs. Im Fall von ZrO2 und den Polymeren können so wenige zehntel nm Rauigkeit bei 100-200 nm deponierter Schichtdicke erzeugt werden. Es werden die vorherrschenden Glättungsmechanismen (Diffusion und ballistisches Glätten) bestimmt und am Beispiel von ZrO2 wird der Glättungsvorgang mit den Vorhersagen der Theorie verglichen. Für eine genaue frequenzaufgelöste Untersuchung der Vorgänge während der Glättung und den detaillierten Vergleich mit den Vorhersagen der Theorie wird im zweiten Teil der Arbeit die Glättung durch ZrO2 auf statistisch verteilten Oberflächenstrukturen untersucht. Hierbei dienen 44 nm dicke Ag-Schichten auf Si mit einer Rauigkeit von etwa 0,8 nm und einer mittleren Inselgröße von etwa 86 nm als raues Ausgangssubstrat. Während des Glättungsvorgangs beobachtet man mit zunehmender Schichtdicke zunächst das Verschwinden scharfer Kanten und kleiner Strukturen, dann eine Zunahme der mittleren lateralen Hügelgröße. Dieses frequenzabhängige Verhalten wird im Fourierraum im Detail analysiert und mithilfe der Theorie simuliert. Um die Auswirkungen des beobachteten frequenzabhängigen Verhaltens besser zu verstehen und zu demonstrieren, wird schließlich die Glättung in Abhängigkeit von der mittleren Strukturgröße der rauen Ausgangsoberfläche betrachtet.