This thesis report is focused on the growth of Pt/Mg multilayers and the studies of the sputter yield amplification effect in these. The main application is to use the multilayers as X-ray mirrors reflecting an X-ray wavelength of 17 Å. This wavelength is important for astronomical applications in general, and solar imaging applications in particular. For periodic X-ray multilayer mirrors only a certain specific wavelength of X-rays can be reflected. What wavelength that is reflected depends on the individual layer thicknesses of the materials that are constituting the multilayer. These thicknesses can be determined using modified Bragg’s law and are approximately a quarter of the wavelength. In order to obtain the exact desired layer thickness of each individual layer it is necessary to understand the growth processes and the effects that are going on during deposition of such multilayer mirrors. It has been shown that when depositing multilayers consisting of one very light and one very heavy material, like e.g. Pt and Mg, the deposition rate of the light element is non-linear with deposition time for thin layers. This is because of backscattered energetic neutrals from the heavy target material, which affects the growing film. Furthermore, a sputter yield amplification is present for thin layers when a light element is grown on top of a heavy element, i.e. for Mg on top of Pt. Dual DC magnetron sputtering has been used to grow the Pt/Mg multilayers, and the influence of the backscattered energetic neutrals and the sputter yield amplification effect has been studied for Ar and Kr sputtering gases at pressures ranging from 3 up to 9 mTorr. The individual layer thicknesses have been obtained from simulations of hard X-ray reflectivity measurements using the IMD program. The number of backscattered energetic neutrals and their energies at the target have been calculated using the TRIM code. Using the results obtained it is now possible to predict and compensate for the non-linear deposition rate of Mg.

Les traitements plasma présentent un outil efficace, économique et écologique pour la fonctionnalisation de surfaces. Pour cette technique, l’étude du dépôt et de l’adhésion de molécules et précurseurs dans le régime de la sous-monocouche présente un intérêt majeur, car elle définit les propriétés de la surface et l’adhésion de la couche déposée sur le substrat. L’adhésion des molécules lors de la phase initiale du dépôt est contrôlée par les espèces dans le plasma ainsi que par leurs distributions énergétiques et angulaires. Dans le cadre de ce projet, une approche multidisciplinaire combinant calculs DFT et techniques expérimentales pour la préparation et la caractérisation des dépôts dans la sous-monocouche a été utilisée. Des dépôts de PS et PMMA, préparés par bombardement d’Ar sur une surface d’Ag, ont été caractérisés par XPS et ToF-SIMS. La quantité de matière déposée augmente bien avec le temps de dépôt, ou la dose d’irradiation. Les analyses par TOF-SIMS ont également montré que la proportion des grands fragments augmente au détriment des petits. Ceci est contraire aux résultats attendus et peut seulement être expliqué par la recombinaison de petits fragments sur la surface du collecteur. Cette hypothèse est supporté des calculs DFT qui ont montré que l’énergie d’adsorption des petits fragments est plus grande que celle des grands et, par conséquent, leur probabilité d’adsorption doit être également plus élevée. Les calculs DFT ont été étendus sur d’autres substrats, notamment du Si, Pt et Al2O3 et ont montrés que l’énergie d’adhésion est la plus élevée sur Si et Pt / Plasma surface treatments present an efficient, economical and ecological tool for surface functionalization. For this technique the deposition and adhesion of molecules and precursors in the sub-monolayer range are of utmost interest, since this layer defines the surface properties and the adhesion between deposit and substrate. The species in the plasma and their energy and angular distributions control the deposition process. To get insights into the latter, a multidisciplinary approach combining DFT calculations with experimental techniques is used for the preparation and characterisation of sub-monolayer deposits of PS and PMMA. The deposits are prepared by sputter deposition using an Ar beam and analysed by ToF-SIMS and XPS. The amount of deposited matter increases well with deposition time or fluence. ToF-SIMS analyses showed also that the proportion of large fragments on the collector surface is increasing with fluence, although the opposite was expected. This can only be explained by the recombination of smaller fragments to form larger ones. This hypothesis is supported by DFT calculations which showed that the adsorption energy, and hence the adsorption probability, is higher for the small fragments than for the large ones. DFT calculations have been extended to Si, Pt and Al2O3 substrates, showing that adsorption energies are highest for Si and Pt

Study of the metastable phases obtained by non-equilibrium processing techniques has come a long way during the past five decades. New metastable phases have often given new perspectives to the research on synthesis of novel materials systems. Metastable materials produced by two non-equilibrium processing methods were studied for this dissertation- 304-type austenitic stainless steel (SS304 or Fe-18Cr-8Ni)+aluminum coatings produced by plasma enhanced magnetron sputter-deposition (PEMS) and nanocrystalline Ti, Zr and Hf powders processed by mechanical milling (MM). The objective of the study was to understand the crystallographic and microstructural aspects of these materials. Four SS304+Al coatings with a nominal Al percentages of 0, 4, 7 and 10 wt.% in the coatings were deposited on an SS304 substrate by PEMS using SS304 and Al targets. The as-deposited coatings were characterized by x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and three-dimensional atom probe microscopy (3DAP). Surface morphology and chemical analysis were studied by SEM. Phase identification was carried out by XRD and TEM. The microstructural features of all the coatings, as observed in the TEM, consisted of columnar grains with the columnar grain width (a measure of grain size) increasing with an increase in the Al content. The coatings had grains with average grain sizes of about 100, 290, 320 and 980 nm, respectively for 0, 4, 7 and 10 wt.% Al. The observed grain structures and increase in grain size were related to substrate temperature during deposition. XRD results indicated that the Al-free coating consisted of the non-equilibrium ferrite and sigma phases. In the 4Al, 7Al and 10Al coatings, equilibrium ferrite and B2 phases were observed but no sigma phase was found. In 10Al coating, we were able to demonstrate experimentally using 3DAP studies that NiAl phase formation is preferred over the FeAl phase at nano scale. During mechanical milling of the hexagonal close packed (HCP) metals Hf, Ti and Zr powders, unknown nanocrystalline phases with face centered cubic (FCC) structure were found. The FCC phases could be either allotropes of the respective metals or impurity stabilized phases. However, upon MM under high purity conditions, it was revealed that the FCC phases were impurity stabilized. The decrease in crystallite size down to nanometer levels, an increase in atomic volume, lattice strain, and possible contamination were the factors responsible for the transformation.

In this study, the effect of AlN buffer layer structure and morphology on the GaN films deposited on Si (111) substrate by reactive DC magnetron sputtering have been studied. For structural and morphological characterization X-ray diffraction (XRD) and Scanning electron microscope (SEM) were used. It is found that AlN films without Al pre-deposition on Si have a poor crystalline quality due to the formation of an amorphous layer at Si/AlN interface. Various initial Al sputtering durations on Si substrate result in changing the AlN buffer layer’s quality and morphology and choosing proper deposition duration can improve AlN buffer layer and the subsequent GaN layer quality. It is found that more than 15 s Al pre deposition can suppress the amorphous layer formation and enhance the film quality. The Rocking curve FWHM for both in-plane and out-of-plane orientation decreased from 1.86 and 1.56   to 0.4   and 0.3  , respectively, by 4 minutes Al pre-deposition on Si, however, overlong Al deposition results in poor surface morphology. It is found that 15s Al deposition is sufficient to enhance the quality as well as keeping the surface relatively smooth. In addition, AlN films deposited at 1000   showed the best film quality. GaN films directly grown on Si showed a poor crystalline quality and surface morphology, improvement of quality and morphology was observed for GaN samples deposited on AlN buffer layer. Also, melt-back etching observed on the surface of GaN grown on Si without AlN buffer layer. It is found that duration of Al deposition has a significant effect on GaN surface morphology, Al layer deposition more than 15 s result in a rough surface for GaN films. With choosing the optimum duration of Al pre-deposition and proper growth temperature a good quality GaN with a smooth surface morphology can be produced.

Es wurde eine Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle mit einer Mikrowellenfrequenz von2,45 GHz für die Produktion intensiver Ströme einfach geladener Metallionen entwickelt. Deren Beladung mit Metalldampf erfolgt über ein integriertes zylindrisches Sputtermagnetron, welches speziell für diese Aufgabe entworfen wurde. Die entstandene MECRIS, engl. Magnetron Electron Cyclotron Resonance Ion Source, vereinigt die ECR-Ionenquellentechnologie mit der Magnetron-Sputtertechnologie auf bisher einzigartige Weise und verkörpert so ein neues Metallionen-Quellenkonzept. Unter Verwendung eines Al-Sputtertargets konnte die Funktionsfähigkeit der MECRIS an dem Beispiel der Al+-Ionenerzeugung erfolgreich demonstriert werden. Der extrahierbare Al+-Ionenstrom wurde über einen neuartigen, im Rahmen der Arbeit entwickelten, Hochstrom-Faraday-Cup gemessen. Auf Basis numerischer Berechnungen wurde das Gesamtmagnetfeld so ausgelegt, dass die Permanentmagnete des Magnetrons und die Spulen der ECR-Quelle eine Minimum-B-Struktur erzeugen, welche einen effektiven Elektroneneinschluss nach dem magnetischen Spiegelprinzip ermöglicht. Gleichzeitig wird durch eine geschlossene ECR-Fläche, mit der magnetischen Resonanzflussdichte von 87,5 mT, eine optimale Heizung der Plasmaelektronen realisiert. Die mithilfe einer Doppel-Langmuir-Sonde gemessene Elektronentemperatur steigt in Richtung Quellenmitte an und beträgt maximal 11 eV. Geheizte Elektronen erlauben die effiziente Stoßionisation der Al-Atome, welche mit einer Rate von über 1E18 Al-Atome/s eingespeist werden und eine höchstmögliche Dichte von 2E10 1/cm³ aufweisen. Die MECRIS erzeugt hauptsächlich einfach geladene Ionen des gesputterten Materials (Al+) und des Prozessgases (Ar+). Der Al+-Ionenextraktionsstrom ist über die Erhöhung der Prozessparameter Sputterleistung, Mikrowellenleistung, Spulenstrom und Extraktionsspannung um eine Größenordnung bis auf maximal 135 μA steigerbar, was einer Stromdichte von 270 μA/cm² über die Extraktionsfläche von rund 0,5 cm² entspricht. Dies steht im Einklang mit der Prozessparameterabhängigkeit der anhand der Sonde bestimmten Plasmadichte, welche einen größtmöglichen Wert von etwa 6E11 1/cm³ annimmt. Das Verhältnis von extrahiertem Al+- zu Ar+-Ionenstrom kann durch Optimierung der Prozessparameter von 0,3 auf maximal 2 angehoben werden. Sondenmessungen des entsprechenden Ionendichteverhältnisses bestätigen diesen Sachverhalt. Um möglichst große Extraktionsströme und Al+/Ar+-Verhältnisse zu generieren, muss die ECR-Fläche demnach in dem Bereich der höchsten Al-Atomdichte in der Targetebene lokalisiert sein. Gegenüber dem alleinigen Magnetronplasma (ohne Mikrowelleneinspeisung) können mit dem MECRIS-Plasma um bis zu 140 % höhere Al+-Ionenströme produziert werden. Aus Sondenuntersuchungen geht hervor, dass dies eine Folge der um etwa eine Größenordnung gesteigerten Plasmadichte und der um rund 7 eV größeren Elektronentemperatur des MECRIS-Plasmas ist. Das MECRIS-Plasma wurde außerdem mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert und durch ein globales sowie ein zweidimensionales Modell simuliert. Die gewonnenen Prozessparameterabhängigkeiten der Plasmadichte, Elektronentemperatur sowie Al+- und Ar+-Ionendichte stimmen mit den Sondenergebnissen überein. Teilweise treten jedoch Absolutwertunterschiede von bis zu zwei Größenordnungen auf. Die Erhöhung der Sputterleistung und Extraktionsspannung über die derzeitigen Grenzen von 10 kW bzw. 30 kV sowie die Optimierung der Extraktionseinheit hinsichtlich minimaler Elektrodenblindströme bietet das Potential, den Al+-Ionenstrom bis in den mA-Bereich zu steigern. / An electron cyclotron resonance ion source working at a microwave frequency of 2.45 GHz has been developed in order to generate an intense current of singly charged metal ions. It is loaded with metal vapor by an integrated cylindrical sputter magnetron, which was especially designed for this purpose. The MECRIS (Magnetron Electron Cyclotron Resonance Ion Source) merges ECR ion source technology with sputter magnetron technology in a unique manner representing a new metal ion source concept. By using an Al sputter target, the efficiency of the MECRIS was demonstrated successfully for the example of Al+ ion production. The extractable ion current was measured by a newly developed high-current Faraday cup. On the basis of numerical modeling, the total magnetic field was set in a way that the permanent magnets of the magnetron and the coils of the ECR source are forming a minimum-B-structure, providing an effective electron trap by the magnetic mirror principle. Simultaneously, optimal electron heating is achieved by a closed ECR-surface at resonant magnetic flux density of 87.5 mT. Electron temperature increases towards the center of the source to a maximum of about 11 eV and was measured by a double Langmuir probe. Due to the heated electron population, efficient electron impact ionization of the Al atoms is accomplished. Al atoms are injected with a rate of more than 1E18 Al-atoms/s resulting in a maximum Al atom density of 2E10 1/cm³. The MECRIS produces mainly singly charged ions of the sputtered material (Al+) and the process gas (Ar+). The Al+ ion extraction current is elevated by one order of magnitude to a maximum of 135 μA by increasing the process parameters sputter magnetron power, microwave power, coil current, and acceleration voltage. Related to the extraction area of about 0.5 cm², the highest possible Al+ ion current density is 270 μA/cm². A corresponding process parameter dependency was found for the plasma density showing a peak value of about 6E11 1/cm³, which was deduced from probe measurements. The ratio of the extracted Al+ ion current to the Ar+ ion current can be enhanced from 0.3 to a maximum of 2 by optimization of the process parameters. This was confirmed by probe investigations of the appropriate ion density ratio. In conclusion, the ECR-surface needs to be located in the area of the highest Al atom density in the target plane in order to improve the extraction current and Al+/Ar+ ratio. The MECRIS plasma produces an Al+ ion current, which is up to 140 % higher compared to that of the sole sputter magnetron plasma (without microwave injection). As revealed by probe measurements, this effect is due to the higher plasma density and electron temperature of the MECRIS plasma, leading to a difference of one order of magnitude and 7 eV, respectively. Additionally, the MECRIS plasma has been characterized by optical emission spectroscopy and simulated by a global and a two-dimensional model. Retrieved process parameter dependencies of plasma density, electron temperature, Al+ ion density, and Ar+ ion density coincide with probe findings. Although a discrepancy of the absolute values of partly up to two orders of magnitude is evident. Potentially, the Al+ ion current can be enhanced to the mA-region by optimizing the ion extraction system for minimal idle electrode currents and by rising sputter magnetron power as well as acceleration voltage above the actual limits of 10 kW and 30 kV, respectively.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen neuartigen Fügeprozess, das sogenannte reaktive Fügen bzw. Bonden. Hierbei werden sich selbsterhaltene exotherme Reaktionen in nanoskaligen Schichtsystemen als lokale Wärmequelle für das Fügen unterschiedlichster Substrate der Mikrosystemtechnik verwendet. Das Bonden mit den reaktiven Systemen unterscheidet sich von herkömmlichen Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik primär dadurch, dass durch die rasche Reaktionsausbreitung bei gleichzeitig kleinem Reaktionsvolumen die Fügetemperaturen unmittelbar auf die Fügefläche beschränkt bleiben. Entgegen den herkömmlichen Fügeverfahren mit Wärmeeintrag im Volumen, schont das neue Verfahren empfindliche Bauteile und Materialien mit unterschiedlichsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten lassen sich besser verbinden. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen zur Dimensionierung, Prozessierung und Integration der gesputterten reaktiven Materialsysteme beschrieben. Diese Systeme werden verwendet, um heterogene Materialien mit unterschiedlichen Durchmessern innerhalb kürzester Zeit auf Wafer-Ebene und bei Raumtemperatur zu bonden. Die so erzeugten Verbindungen werden hinsichtlich der Mikrostruktur, der Zuverlässigkeit sowie der Dichtheit untersucht und bewertet. Zusätzlich wird die Temperaturverteilung in der Fügezone während des Fügeprozesses mit numerischen Methoden vorhergesagt.

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Es wurde eine Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle mit einer Mikrowellenfrequenz von2,45 GHz für die Produktion intensiver Ströme einfach geladener Metallionen entwickelt. Deren Beladung mit Metalldampf erfolgt über ein integriertes zylindrisches Sputtermagnetron, welches speziell für diese Aufgabe entworfen wurde. Die entstandene MECRIS, engl. Magnetron Electron Cyclotron Resonance Ion Source, vereinigt die ECR-Ionenquellentechnologie mit der Magnetron-Sputtertechnologie auf bisher einzigartige Weise und verkörpert so ein neues Metallionen-Quellenkonzept. Unter Verwendung eines Al-Sputtertargets konnte die Funktionsfähigkeit der MECRIS an dem Beispiel der Al+-Ionenerzeugung erfolgreich demonstriert werden. Der extrahierbare Al+-Ionenstrom wurde über einen neuartigen, im Rahmen der Arbeit entwickelten, Hochstrom-Faraday-Cup gemessen. Auf Basis numerischer Berechnungen wurde das Gesamtmagnetfeld so ausgelegt, dass die Permanentmagnete des Magnetrons und die Spulen der ECR-Quelle eine Minimum-B-Struktur erzeugen, welche einen effektiven Elektroneneinschluss nach dem magnetischen Spiegelprinzip ermöglicht. Gleichzeitig wird durch eine geschlossene ECR-Fläche, mit der magnetischen Resonanzflussdichte von 87,5 mT, eine optimale Heizung der Plasmaelektronen realisiert. Die mithilfe einer Doppel-Langmuir-Sonde gemessene Elektronentemperatur steigt in Richtung Quellenmitte an und beträgt maximal 11 eV. Geheizte Elektronen erlauben die effiziente Stoßionisation der Al-Atome, welche mit einer Rate von über 1E18 Al-Atome/s eingespeist werden und eine höchstmögliche Dichte von 2E10 1/cm³ aufweisen. Die MECRIS erzeugt hauptsächlich einfach geladene Ionen des gesputterten Materials (Al+) und des Prozessgases (Ar+). Der Al+-Ionenextraktionsstrom ist über die Erhöhung der Prozessparameter Sputterleistung, Mikrowellenleistung, Spulenstrom und Extraktionsspannung um eine Größenordnung bis auf maximal 135 μA steigerbar, was einer Stromdichte von 270 μA/cm² über die Extraktionsfläche von rund 0,5 cm² entspricht. Dies steht im Einklang mit der Prozessparameterabhängigkeit der anhand der Sonde bestimmten Plasmadichte, welche einen größtmöglichen Wert von etwa 6E11 1/cm³ annimmt. Das Verhältnis von extrahiertem Al+- zu Ar+-Ionenstrom kann durch Optimierung der Prozessparameter von 0,3 auf maximal 2 angehoben werden. Sondenmessungen des entsprechenden Ionendichteverhältnisses bestätigen diesen Sachverhalt. Um möglichst große Extraktionsströme und Al+/Ar+-Verhältnisse zu generieren, muss die ECR-Fläche demnach in dem Bereich der höchsten Al-Atomdichte in der Targetebene lokalisiert sein. Gegenüber dem alleinigen Magnetronplasma (ohne Mikrowelleneinspeisung) können mit dem MECRIS-Plasma um bis zu 140 % höhere Al+-Ionenströme produziert werden. Aus Sondenuntersuchungen geht hervor, dass dies eine Folge der um etwa eine Größenordnung gesteigerten Plasmadichte und der um rund 7 eV größeren Elektronentemperatur des MECRIS-Plasmas ist. Das MECRIS-Plasma wurde außerdem mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert und durch ein globales sowie ein zweidimensionales Modell simuliert. Die gewonnenen Prozessparameterabhängigkeiten der Plasmadichte, Elektronentemperatur sowie Al+- und Ar+-Ionendichte stimmen mit den Sondenergebnissen überein. Teilweise treten jedoch Absolutwertunterschiede von bis zu zwei Größenordnungen auf. Die Erhöhung der Sputterleistung und Extraktionsspannung über die derzeitigen Grenzen von 10 kW bzw. 30 kV sowie die Optimierung der Extraktionseinheit hinsichtlich minimaler Elektrodenblindströme bietet das Potential, den Al+-Ionenstrom bis in den mA-Bereich zu steigern. / An electron cyclotron resonance ion source working at a microwave frequency of 2.45 GHz has been developed in order to generate an intense current of singly charged metal ions. It is loaded with metal vapor by an integrated cylindrical sputter magnetron, which was especially designed for this purpose. The MECRIS (Magnetron Electron Cyclotron Resonance Ion Source) merges ECR ion source technology with sputter magnetron technology in a unique manner representing a new metal ion source concept. By using an Al sputter target, the efficiency of the MECRIS was demonstrated successfully for the example of Al+ ion production. The extractable ion current was measured by a newly developed high-current Faraday cup. On the basis of numerical modeling, the total magnetic field was set in a way that the permanent magnets of the magnetron and the coils of the ECR source are forming a minimum-B-structure, providing an effective electron trap by the magnetic mirror principle. Simultaneously, optimal electron heating is achieved by a closed ECR-surface at resonant magnetic flux density of 87.5 mT. Electron temperature increases towards the center of the source to a maximum of about 11 eV and was measured by a double Langmuir probe. Due to the heated electron population, efficient electron impact ionization of the Al atoms is accomplished. Al atoms are injected with a rate of more than 1E18 Al-atoms/s resulting in a maximum Al atom density of 2E10 1/cm³. The MECRIS produces mainly singly charged ions of the sputtered material (Al+) and the process gas (Ar+). The Al+ ion extraction current is elevated by one order of magnitude to a maximum of 135 μA by increasing the process parameters sputter magnetron power, microwave power, coil current, and acceleration voltage. Related to the extraction area of about 0.5 cm², the highest possible Al+ ion current density is 270 μA/cm². A corresponding process parameter dependency was found for the plasma density showing a peak value of about 6E11 1/cm³, which was deduced from probe measurements. The ratio of the extracted Al+ ion current to the Ar+ ion current can be enhanced from 0.3 to a maximum of 2 by optimization of the process parameters. This was confirmed by probe investigations of the appropriate ion density ratio. In conclusion, the ECR-surface needs to be located in the area of the highest Al atom density in the target plane in order to improve the extraction current and Al+/Ar+ ratio. The MECRIS plasma produces an Al+ ion current, which is up to 140 % higher compared to that of the sole sputter magnetron plasma (without microwave injection). As revealed by probe measurements, this effect is due to the higher plasma density and electron temperature of the MECRIS plasma, leading to a difference of one order of magnitude and 7 eV, respectively. Additionally, the MECRIS plasma has been characterized by optical emission spectroscopy and simulated by a global and a two-dimensional model. Retrieved process parameter dependencies of plasma density, electron temperature, Al+ ion density, and Ar+ ion density coincide with probe findings. Although a discrepancy of the absolute values of partly up to two orders of magnitude is evident. Potentially, the Al+ ion current can be enhanced to the mA-region by optimizing the ion extraction system for minimal idle electrode currents and by rising sputter magnetron power as well as acceleration voltage above the actual limits of 10 kW and 30 kV, respectively.

The research in permanent magnet thin films focuses on the search of new materials and methods to increase the prevalent data storage limit. In the recent past the work towards the application of these films to micro systems have also gained momentum. Materials like samarium cobalt with better magnetic properties and temperature stability are considered to be suitable in this regard. The essential requirement in miniaturization of these films is to deposit them on silicon substrates that can alleviate the micro fabrication process. In this work, an effort has been made to deposit SmCo films with better magnetic properties on silicon substrates. In the deposition of SmCo, the composition of the deposited films and the structural evolution are found to play an important role in determining the magnetic properties. Proper control over these parameters is essential in controlling the magnetic properties of the deposited films. SmCo being a two component material the composition of the films is dependent on the nature of the source and the transport of the material species from source to substrate. On the other hand, structural evolution is dependent on the energetical considerations between the SmCo lattice and substrate lattice. This most often is dominated by the lattice match between the condensing lattice and the substrate lattice. As such Si does not provide good lattice match to SmCo lattice. Hence suitable underlayers are essential in the deposition of these films. Materials like W, Cu, Mo and Cr were used as underlayers. Out of all these Cr is found to provide good lattice match and adhesion to SmCo lattice. Sputtering being the common deposition tool, SmCo could be sputtered either from the elemental targets of Sm and Co or from the compound target of SmCo5. Sputtering of elemental targets of Sm and Co provides the flexibility of varying the composition whereas sputtering from the SmCo alloy target provides to flexibility of controlling the structural evolution by different process parameters. In this work two different techniques namely Facing Target Sputtering (FTS) and Ion Beam Sputter Deposition (IBSD) were followed in depositing SmCo films. In FTS technique, SmCo films were directly deposited on silicon substrates by simultaneous sputtering of samarium and cobalt targets facing each other. This sputtering geometry enabled to achieve films with a wide composition range of 55 – 95 at. % of cobalt in single deposition. The resulting composition variation and material property variation were investigated in terms of process parameters like pressure, temperature, SubstrateTarget Distance (STD) and InterTarget Distance (ITD). The composition distribution of the films was found to be dependent on the thermalisation distances and the mean free path available during the transport. To explain the process and the composition variation, a simulation model based on Monte Carlo method has been employed. The simulated composition variation trends were in good agreement with that of the experimental observations. IBSD, known for its controlled deposition, was employed to deposit both Cr (as an underlayer) and SmCo films. Cr with close epitaxial match with SmCo induces structural evolution in deposited films. The initial growth conditions were found to play a dominant role in the structural evolution of these Cr films. Hence, initial growth conditions were modified by means of oblique incidence and preferential orientation of (200) plane was obtained. With three different angles of incidence, three different surface orientations of Cr films were achieved. These films were then used as structural templates in the deposition of SmCo films. The influence of parameters like composition, impurities, film thickness, beam energy, ion flux, annealing, angles of incidence and underlayer properties on the structural and magnetic properties of SmCo was studied. The structural evolution of SmCo has been found to depend on the structural orientation of Cr underlayers. This followed the structural relation of SmCo(100)||Cr(110)||Si(100) and SmCo(110)||Cr(100)||Si(100). A mixed surface plane orientation was observed in the case of mixed orientation Cr template. The magnetic coercivities were found to increase from 50 Oe to 5000 Oe with the change in the structure of the deposited films.

In Silizium-Nanokristall-Speichern werden im Gate-Oxid eines Feldeffekttransistors eingebettete Silizium Nanokristalle genutzt, um Elektronen lokal zu speichern. Die gespeicherte Ladung bestimmt dann den Zustand der Speicherzelle. Ein wichtiger Aspekt in der Technologie dieser Speicher ist die Erzeugung der Nanokristalle mit einerwohldefinierten Größenverteilung und einem bestimmten Konzentrationsprofil im Gate-Oxid. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein sehr flexibler Ansatz untersucht: die thermische Ausheilung von SiO2/SiOx (x < 2) Stapelschichten. Es wurde ein Sputterverfahren entwickelt, das die Abscheidung von SiO2 und SiOx Schichten beliebiger Zusammensetzung erlaubt. Die Bildung der Nanokristalle wurde in Abhängigkeit vom Ausheilregime und der SiOx Zusammensetzung charakterisiert, wobei unter anderem Methoden wie Photolumineszenz, Infrarot-Absorption, spektroskopische Ellipsometrie und Elektronenmikroskopie eingesetzt wurden. Anhand von MOS-Kondensatoren wurden die elektrischen Eigenschaften derart hergestellter Speicherzellen untersucht. Die Funktionalität der durch Sputterverfahren hergestellten Nanokristall-Speicher wurde erfolgreich nachgewiesen. / In silicon nanocrystal memories, electronic charge is discretely stored in isolated silicon nanocrystals embedded in the gate oxide of a field effect transistor. The stored charge determines the state of the memory cell. One important aspect in the technology of silicon nanocrystal memories is the formation of nanocrystals near the SiO2-Si interface, since both, the size distribution and the depth profile of the area density of nanocrystals must be controlled. This work has focussed on the formation of gate oxide stacks with embedded nanocrystals using a very flexible approach: the thermal annealing of SiO2/SiOx (x < 2) stacks. A sputter deposition method allowing to deposit SiO2 and SiOx films of arbitrary composition has been developed and optimized. The formation of Si NC during thermal annealing of SiOX has been investigated experimentally as a function of SiOx composition and annealing regime using techniques such as photoluminescence, infrared absorption, spectral ellipsometry, and electron microscopy. To proof the concept, silicon nanocrystal memory capacitors have been prepared and characterized. The functionality of silicon nanocrystal memory devices based on sputtered gate oxide stacks has been successfully demonstrated.