Eingeladener Vortrag beim Kolloquium über Werkstoffmodellierung von MPA/IMWF Stuttgart WS 2008/2009 22.01.2009

Verzahnung von Molekulardynamiksimulation und experimenteller Validierung am Beispiel von Einlagenschichten im Si-C-N-System

C. Ziebert¹, J. Ye¹, S. Ulrich¹, A. Prskalo², S. Schmauder²

¹Institut für Materialforschung I, Forschungszentrum Karlsruhe

²Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF), Universität Stuttgart,
Pfaffenwaldring 32, 70569 Stuttgart

Experimentell-empirische Arbeiten im Bereich nanoskaliger, funktioneller Oberflächenschichten sind derzeit kontinuierlich international aktuell und bereits vielfach in die industrielle Praxis eingeflossen. Dennoch ist das atomistische Verständnis der Prozesse bei der Abscheidung dieser Schichtsysteme, deren intrinsische Parameter die resultierenden Schichteigenschaften bestimmen, weitgehend lückenhaft. Um das heuristische Stadium der Beschichtungsentwicklung zu verlassen und eine gezielte und effiziente Optimierung zu ermöglichen, ist ein vertieftes Verständnis der Korrelation zwischen der Konstitution und dem Gefüge des Schichtsystems mit einem hohen Grenzflächenanteil, des Energie- und Impulseintrags durch Ionen- und Neutralteilchen während des Schichtwachstums, den Schichteigenschaften und dem Schichtverhalten erforderlich. Dieses Verständnis lässt sich nur durch eine enge Verzahnung von modernen experimentellen Verfahren mit hoher Orts- und Tiefenauslösung und modernen computergestützten Simulationsmethoden (z.B. Molekulardynamik-Simulationen) erreichen.

In diesem Vortrag soll diese Verzahnung exemplarisch anhand der Herstellung von Einlagenschichten im Si-C-N-System aufgezeigt werden. Experimentell wurden durch reaktive HF-Magnetronzerstäubung von SiC- und Si₃N₄-Targets in Ar bzw. Ar/N₂-Atmosphäre amorphe und
nanokristalline SiC, SiN- und Si-C-N-Schichten auf Si- und Hartmetallsubstraten abgeschieden. Die Zusammensetzung wurde mit Hilfe von Mikrosondenmessungen, der Aufbau und die Struktur mittels Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie, Feinbereichselektronenbeugung, Fouriertransformationsinfrarotspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie, sowie die mechanischen Eigenschaften mittels Nanoindentierung und Waferbiegemethode umfassend charakterisiert.

Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden der Zerstäubungsprozess am Target, der Abscheidungsprozess auf dem Substrat und elastische Materialeigenschaften im Computer mit Hilfe der Molekulardynamikmethode atomistisch simuliert und mit den Experimenten verglichen. Dazu wurden die kommerzielle Software Materials Explorer von Fujitsu Ltd. und die an der Universität Stuttgart entwickelte Software IMD mit einer Kombination von Tersoff-Potenzial und Ziegler-Biersack-Littmark (ZBL) Potenzial eingesetzt. Es werden die Abhängigkeit der Sputter-Ausbeute von der Energie der einfallenden Ar-Ionen, die Trajektorien und Reichweiten der Ar-Ionen und der gesputterten Atome gezeigt und erste Ergebnisse zur Simulation der Abscheidung von Schichten im System Si-C-N vorgestellt.