Oblique Angle Deposition of Thin Films – Theory, Modelling, and Application

With the aim to gain a deeper understanding of the role of the angle of incidence in physical vapor deposition, experimental, and computer-based studies were conducted. Electron beam evaporation and ion beam sputtering were used as deposition methods. The materials germanium, silicon, and molybdenum were deposited at different incidence angle, different temperatures and varied residual gas atmospheres. Established models could not be used to adequately explain the obtained relations between morphological parameters, as the tilt angle, with the incidence angle. To investigate the interplay of self-shadowing and competitive growth, an on-lattice simulation was developed. Care was taken to avoid any artificial anisotropy. Comparison with an, additionally developed, off-lattice simulation was used to verify this. Based on the made observations, an analytical model was deduced that combines the material properties and the deposition conditions into a single parameter. The predictions of this model were verified for the experimental observations, the results of the computer simulations, and on literature data. In the last part of the thesis, methods are shown that facilitate to modify the properties of the obliquely deposited thin films to fit requirements of various applications. This includes in situ doping of silicon nanostructures, creation of core-shell structures, as well as biochemical surface functionalization of silver nanostructures. On the example of the latter, various bio-sensing applications are presented.:1 MOTIVATION 7 2 BASIC CONCEPTS 9 2.1 Physical vapor deposition (PVD) 9 2.2 Deposition at oblique angles 14 2.3 Controlling the thin film morphology 16 3 EXPERIMENTAL METHODS 19 3.1 Sample preparation 19 3.2 Characterization techniques 32 4 EXPERIMENTAL RESULTS 37 4.1 Columnar structure and evolutionary selection 37 4.2 Tilt angles and density 42 4.3 Fan angles 45 4.4 Relevance of beam divergence 47 4.5 Summary 50 5 SIMULATION 53 5.1 Introduction 53 5.2 Off-lattice approach 54 5.3 On-lattice approach 59 5.4 Further applications of the on-lattice simulation 64 5.5 Other aspects 72 5.6 Summary 76 6 OBLIQUE ANGLE DEPOSITION MODEL 77 6.1 Semi-Empirical models 77 6.2 Tanto’s fan model 78 6.3 Development of the Competition Model 80 6.4 Verification of the model 84 6.5 Summary 89 7 FILM OPTIMIZATION FOR APPLICATIONS 91 7.1 Boron doped Si nanostructures 91 7.2 Surface functionalization for biosensors 95 7.3 Core-shell structures by pulsed electrodeposition 101 7.4 Summary 105 8 SUMMARY 107 9 BIBLIOGRAPHY 109 10 LIST OF ABBREVIATIONS 121 11 ACKNOWLEDGEMENTS 123 APPENDIX 125 PUBLICATION LIST 131 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 133Mit dem Ziel ein besseres Verständnis des Einflusses des Einfallswinkels in der physikalischen Gasphasenabscheidung zu erreichen, wurden experimentell realisierte und am Computer simulierte Dünnschichten untersucht. Als Abscheidetechniken kamen sowohl Elektronenstrahl-Verdampfen als auch Ionenstrahl-Zerstäubung zum Einsatz. Es wurden die Materialien Germanium, Silicium und Molybdän verwendet, die bei verschiedenen Einfallswinkeln, verschiedenen Substrattemperaturen und variiertem Restgas abgeschieden wurden. Die beobachteten Zusammenhänge, von bspw. kolumnarer Verkippung und Einfallswinkel, konnten nicht mit den etablierten Modellen in Einklang gebracht werden. Um das genaue Zusammenspiel von Abschattung und Konkurrenz-Wachstum zu verstehen, wurde eine „on-lattice“ Computersimulation entwickelt, mit dem besonderen Augenmerk auf die Vermeidung von gitterbasierten Anisotropien. Dies wurde durch Vergleich mit einer, ebenfalls entwickelten, „off-lattice“ Simulation sichergestellt. Ausgehend von den beobachteten Effekten konnte ein analytisches Modell entwickelt werden, welches die Materialeigenschaften und Abscheidebedingungen in einen einzigen Parameter vereint. Die Vorhersagen des Modells wurden an den hergestellten Schichten, den Computersimulationen und an Literaturdaten verifiziert. Abschließend werden Methoden aufgezeigt, die schräg abgeschiedenen nanostrukturierten Schichten verschiedenen Anwendungen anzupassen. Dies umfasst die in situ Dotierung von Siliciumnanostrukturen, die Erzeugung von Kern-Schale-Strukturen, sowie die biochemische Oberflächenfunktionalisierung von Silbernanostrukturen. Am Beispiel der letztgenannten werden verschiedene Anwendungen in der Biosensorik detaillierter vorgestellt.:1 MOTIVATION 7 2 BASIC CONCEPTS 9 2.1 Physical vapor deposition (PVD) 9 2.2 Deposition at oblique angles 14 2.3 Controlling the thin film morphology 16 3 EXPERIMENTAL METHODS 19 3.1 Sample preparation 19 3.2 Characterization techniques 32 4 EXPERIMENTAL RESULTS 37 4.1 Columnar structure and evolutionary selection 37 4.2 Tilt angles and density 42 4.3 Fan angles 45 4.4 Relevance of beam divergence 47 4.5 Summary 50 5 SIMULATION 53 5.1 Introduction 53 5.2 Off-lattice approach 54 5.3 On-lattice approach 59 5.4 Further applications of the on-lattice simulation 64 5.5 Other aspects 72 5.6 Summary 76 6 OBLIQUE ANGLE DEPOSITION MODEL 77 6.1 Semi-Empirical models 77 6.2 Tanto’s fan model 78 6.3 Development of the Competition Model 80 6.4 Verification of the model 84 6.5 Summary 89 7 FILM OPTIMIZATION FOR APPLICATIONS 91 7.1 Boron doped Si nanostructures 91 7.2 Surface functionalization for biosensors 95 7.3 Core-shell structures by pulsed electrodeposition 101 7.4 Summary 105 8 SUMMARY 107 9 BIBLIOGRAPHY 109 10 LIST OF ABBREVIATIONS 121 11 ACKNOWLEDGEMENTS 123 APPENDIX 125 PUBLICATION LIST 131 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 13