Y. Unutulmazsoy, D. Kalanov, K. Oh, S. Karimi Aghda, J.W. Gerlach, N. Braun, F. Munnik, A. Lotnyk, J.M. Schneider, A. Anders 
Toward decoupling the effects of kinetic and potential ion energies: Ion flux dependent structural properties of thin (V, Al) N films deposited by pulsed filtered cathodic arc 
Journal of Vacuum Science & Technology A 41 (2023) 6, https://doi.org/10.1116/6.0002927  

Bei der gepulsten gefilterten Kathodenbogenabscheidung entstehen energiereiche mehrfach geladene Metallionen, die zur Bildung dichter, haftender und makropartikel-freier Dünnschichten beitragen. Ionen besitzen nicht nur eine erhebliche kinetische Energie, sondern auch potenzielle Energie, die in erster Linie auf ihre Ladung zurückzuführen ist, die bei Kathodenbogenplasmen in der Regel größer als eins ist. Während die Auswirkungen der kinetischen Ionenenergie auf die wachsende Schicht gut untersucht sind, sind die Auswirkungen der potenziellen Energie der Ionen weniger bekannt. In der vorliegenden Arbeit machen wir einen Schritt in Richtung der Entkopplung der Beiträge der kinetischen und potenziellen Energie von Ionen zur Dünnschichtbildung. Die potenzielle Energie wird durch die Erhöhung der Ionenladungszustände mittels eines externen Magnetfelds an der Plasmaquelle verändert. Die kinetische Energie wird durch die Vorspannung der Lichtbogenquelle („Plasma-Vorspannung“) angepasst, wodurch wir die Unterschiede in der kinetischen Energie annähernd ausgleichen können, während das Substrat und der Ionenenergiedetektor auf Masse bleiben. Die Anwendung eines externen Magnetfeldes führt jedoch auch zu einer Verstärkung des Ionenflusses, sodass weitere Schritte erforderlich sind, um die gewünschte vollständige Entkopplung der potenziellen und kinetischen Energieeffekte zu erreichen. Die ladungszustandsaufgelösten Energieverteilungsfunktionen der Ionen werden an der Substratposition für verschiedene Lichtbogenquellenkonfigurationen gemessen, und dünne Schichten werden unter Verwendung genau dieser Konfigurationen abgeschieden. Eine detaillierte Charakterisierung der abgeschiedenen Dünnschichten wird durchgeführt, um die Zusammenhänge zwischen Strukturveränderungen und kinetischen und potenziellen Energien mehrfach geladener Ionen aufzudecken. Es wird beobachtet, dass die Kathodenzusammensetzung (Al:V-Verhältnis) einen starken Einfluss auf die Bildung der thermodynamisch stabilen Wurtzit- oder der metastabilen kubischen Phase hat. Es zeigt sich, dass das an der Lichtbogenquelle angelegte externe Magnetfeld das Plasma stark verändert und daher der wichtigste, leicht zugängliche „Regler“ zur Verbesserung der Kristallinität der Schicht ist. Der Einfluss der Atomic Scale Heating durch die kinetische und potentielle Energie der Ionen auf die Kristallinität der Schicht wird untersucht, und es wird die Möglichkeit aufgezeigt, kristalline (V,Al)N-Schichten ohne Substratheizen abzuscheiden. Diese Studie zeigt einen Ansatz zur Unterscheidung der Beiträge der kinetischen und potentiellen Energie von Ionen zum Schichtwachstum auf, jedoch sind weitere Untersuchungen erforderlich, um den zusätzlichen Einfluss der Ionenflussintensität (Strom) zu bewerten und zu unterscheiden.

D. Kalanov, S. Mandazhiev, J. Franze, A. Anders, Y. Unutulmazsoy 
Decoupling the effects of potential energy, kinetic energy, and ion flux on crystallinity of V-Al and V-Al-N thin films in pulsed filtered cathodic arc deposition 
Surface and Coatings Technology 497 (2025) 131720
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131720  

Es ist bekannt, dass die Dünnschichtsbscheidung unter Verwendung gefilterter gepulster Kathodenbogenplasmen aufgrund energetischer Ionen, die erhebliche kinetische und potenzielle Energie tragen, dichte und haftende Dünnschichten erzeugt. Die Rolle der potenziellen Energie mehrfach geladener Metallionen bei der Filmbildung ist noch nicht ausreichend erforscht, da die Verstärkung der Ladungszustände in Kathodenbögen mit einem erhöhten Fluss und einer erhöhten kinetischen Energie der Ionen einhergeht. In dieser Arbeit wird der Einfluss der potenziellen Energie der Ionen auf die strukturellen Eigenschaften von Dünnschichten untersucht, wobei die mittlere kinetische Energie der Ionen unverändert bleibt. Es werden zwei Materialsysteme betrachtet: metallisches V-Al und die Verbindung V-Al-N in nicht-reaktiver bzw. reaktiver Abscheidung. Für V-Al-Plasma und dünne Schichten wird der Einfluss der potenziellen Energie der Metallionen nachgewiesen. Im Fall von V-Al-N stellen sich neben Metallionen auch aktivierte (d. h. ionisierte, dissoziierte und angeregte) Stickstoffspezies als wichtiger Faktor für das Kristallwachstum der metastabilen kubischen Phase heraus.  

Kühne, W. Diyatmika, Y. Unutulmazsoy, M. Rudolph, A. Finzel, J. W. Gerlach, A. Lotnyk, B. Abel, A. Anders 
Postannealing-induced intermetallic phase formation in NiPt thin films deposited via direct current and high-power impulse magnetron sputtering 
Journal of Vacuum Science & Technology A 43 (2025) 023408
https://doi.org/10.1116/6.0004249  

Intermetallische Phasen werden gegenüber Mischkristalllegierungen bevorzugt, um die Menge an Platin für katalytische Anwendungen zu reduzieren, da sie bei erhöhten Temperaturen stabil sind und gleichzeitig die katalytischen Eigenschaften erhalten oder sogar verbessern. Hier zeigen wir einen zweistufigen Prozess zur Bildung einer intermetallischen NiPt-L10-Phase. In dieser Arbeit wurden NiPt-Mischkristall-Dünnschichten durch Gleichstrom- und Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputterverfahren hergestellt, die eine präzise Kontrolle der Dicke und der chemischen Zusammensetzung ermöglichen. Nach der Abscheidung wird eine zusätzliche thermische Behandlung eingeführt, um die gewünschte intermetallische Phase zu bilden. Wir zeigen, dass die erforderliche Dauer dieses Schrittes für die Bildung der intermetallischen Phase bei NiPt-Dünnschichten mit einer Dicke von 240 nm im Vergleich zu ihrem Volumenäquivalent erheblich reduziert ist.  

D. Kalanov, J.W. Gerlach, C. Bundesmann, J. Bauer, A. Lotnyk, H. von Wenckstern, A. Anders, Y. Unutulmazsoy 
Heteroepitaxial growth of Ga2O3 thin films on Al₂O₃ (0001) by ion beam sputter deposition 
Journal of Applied Physics 136 (2024) 015302
https://doi.org/10.1063/5.0211179

Die Abscheidung epitaktischer Oxidhalbleiterfilme mittels physikalischer Gasphasenabscheidungsverfahren erfordert ein detailliertes Verständnis der Rolle energiereicher Teilchen, um die Filmeigenschaften zu kontrollieren und zu optimieren. In der vorliegenden Studie werden Ga₂O₃-Dünnschichten mittels Sauerstoff-Ionenstrahl-Sputterabscheidung heteroepitaktisch auf Al₂O₃ (0001)-Substraten aufgewachsen. Der Einfluss der folgenden relevanten Prozessparameter auf die Eigenschaften der Dünnschichten wird untersucht: Substrattemperatur, Sauerstoff-Hintergrunddruck, Energie der Primärionen, Ionenstrahlstrom und Sputtergeometrie. Die Verteilungen der kinetischen Energie der Ionen im filmbildenden Teilchenfluss werden mit einem energieselektiven Massenspektrometer gemessen, und die resultierenden Schichten werden hinsichtlich Kristallstruktur, Mikrostruktur, Oberflächenrauheit, Massendichte und Wachstumsrate charakterisiert. Der energetische Einfluss der filmbildenden Partikel auf die Dünnschichtstruktur wird analysiert, und es wird eine deutliche Abnahme der Kristallqualität oberhalb der durchschnittlichen Energie der filmbildenden Ga⁺-Ionen um 40 eV für die bei einer Substrattemperatur von 725 °C gewachsenen Schichten beobachtet.    

D. Kalanov, A. Lotnyk, J.W. Gerlach, V. Roddatis, C. Petersen, C. Bundesmann, H. von Wenckstern, Y. Unutulmazsoy
On the interpretation of the XRD rocking curves of heteroepitaxial Ga₂O₃ thin films grown on c-plane sapphire 
J. Appl. Phys. 139 (2026) 015302
https://doi.org/10.1063/5.0301746  

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Zweikomponentenstruktur von out-of-plane Röntgenbeugungs-Rocking-Kurven (XRD RCs) von Ga₂O₃-Dünnschichten, die durch Ionenstrahl-Sputterabscheidung und gepulste Laserdeposition heteroepitaktisch auf c-Ebenen-Saphirsubstraten aufgewachsen sind. Der Einfluss der Schichtdicke, der instrumentellen Auflösung und des Abscheidungsverfahrens auf die RC-Struktur wird untersucht und die Ursachen der schmalen Komponente diskutiert. Es wird gezeigt, dass bei dünnen Ga₂O₃-Schichten auf c-Ebene-Al₂O₃⁠ die schmale Komponente der RCs kein Hinweis auf eine hohe Kristallqualität ist, sondern vielmehr ein Effekt der kohärenten Streuung aus einer kleinen Fraktion gut ausgerichteter Ga₂O₃-Domänen. Es wurde festgestellt, dass die Variation der Intensität der schmalen Komponente mit der Ordnung der XRD-Reflexion mit dem Vorhandensein von Antiphasendomänen zusammenhängt und nicht mit dem Beitrag der dünnen Grenzschicht aus Ga₂O₃.

• Flexible Plattform für Dünnschichtabscheidung und in-situ-Plasmamonitoring 
• Vakuumkammer für kombinatorische Magnetron-Sputter-Abscheidung  
• Multifunktionale Großvakuumkammer zur Untersuchung gepulster ionisierter PVD-Prozesse, einschließlich kathodischer Lichtbogenabscheidung und HiPIMS 
• 4‑Punkt‑Sonden-Schichtwiderstandsmesssystem – Messung unter Umgebungsbedingungen 4‑Punkt‑Sonden-in-situ-Widerstandsmesssystem – bis 750 °C, in Ar, N₂ und deren Mischungen mit O₂ 
• Hall-Effekt-Messsystem – bei erhöhten Temperaturen (bis 500 °C) und niedrigen Temperaturen (bis 80 K) 
• Kleinvolumiger Ofen für Dünnschicht-Wärmebehandlung – bis 750 °C, verschiedene Gasatmosphären 
• Impendanzspektrometer (Frequenzbereich: 5 µHz – 10 MHz, Messbarer Impedanzbereich: 10^-4 to 10¹⁴ Ohm)