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Sputtern ist eine in der Materialwissenschaft weit verbreitete Technik zur Abscheidung dünner Schichten aus verschiedenen Materialien auf Substraten.Das Verfahren wird in der Regel mit Metallen in Verbindung gebracht, kann aber auch auf nichtmetallische Werkstoffe, einschließlich Kohlenstoff, angewendet werden.Beim Sputtern wird ein Vakuum erzeugt, ein Inertgas eingeleitet, eine Hochspannung angelegt, um das Gas zu ionisieren, und ein Magnetfeld verwendet, um das ionisierte Gas auf ein Zielmaterial zu richten.Dieses Zielmaterial wird dann erodiert, und seine Atome werden auf einem Substrat abgeschieden.Kohlenstoff in seinen verschiedenen Formen kann tatsächlich gesputtert werden, wenngleich das Verfahren besondere Bedingungen und Geräte erfordert, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Die wichtigsten Punkte werden erklärt:

1. Vakuumerzeugung und Inertgas Einführung:

   • Der erste Schritt im Sputtering-Prozess besteht darin, in der Reaktionskammer ein Vakuum zu erzeugen.Dies ist wichtig, um Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen zu entfernen, die den Abscheidungsprozess stören könnten.Der Druck wird in der Regel auf etwa 1 Pa reduziert.
   • Sobald das Vakuum hergestellt ist, wird ein Inertgas, z. B. Argon, in die Kammer eingeleitet.Argon wird in der Regel verwendet, da es chemisch inert ist und nicht mit dem Zielmaterial oder dem Substrat reagiert.

2. Erhitzen der Kammer:

   • Die Reaktionskammer wird dann auf Temperaturen zwischen 150°C und 750°C aufgeheizt.Dieser Erhitzungsschritt ist aus mehreren Gründen wichtig:
     • Er trägt dazu bei, Restfeuchtigkeit oder Verunreinigungen weiter zu entfernen.
     • Sie kann die Haftung des gesputterten Materials auf dem Substrat verbessern.
     • Bei einigen Materialien, darunter bestimmte Formen von Kohlenstoff, kann die Erwärmung die Sputtering-Effizienz erhöhen.

3. Magnetfeld und Hochspannungsanwendung:

   • In der Kammer wird ein Magnetfeld erzeugt, indem Elektromagneten um das Zielmaterial herum angeordnet werden.Dieses Magnetfeld trägt dazu bei, das Plasma einzuschließen und die Ionisierung des Inertgases zu verstärken.
   • Eine Hochspannung wird angelegt, um die Argonatome zu ionisieren und ein Plasma zu erzeugen.Die positiv geladenen Argon-Ionen werden dann in Richtung des negativ geladenen Zielmaterials beschleunigt.

4. Erosion und Ablagerung des Zielmaterials:

   • Die positiv geladenen Argon-Ionen kollidieren mit dem Targetmaterial, wodurch Atome oder Moleküle aus dem Target herausgeschleudert werden.Dieser Vorgang wird als Sputtern bezeichnet.
   • Die ausgestoßenen Partikel wandern durch die Kammer und lagern sich auf dem Substrat ab, wobei sie einen dünnen Film bilden.Im Falle von Kohlenstoff könnte dies zu einem dünnen Film aus amorphem Kohlenstoff, diamantartigem Kohlenstoff oder anderen Materialien auf Kohlenstoffbasis führen.

5. Sputtern von Kohlenstoff:

   • Kohlenstoff kann gesputtert werden, aber das Verfahren unterscheidet sich leicht vom Sputtern von Metallen.Kohlenstofftargets werden häufig aus Graphit oder anderen kohlenstoffreichen Materialien hergestellt.Beim Sputtern von Kohlenstoff können je nach den Bedingungen verschiedene Formen von Kohlenstoffschichten entstehen:
     • Amorpher Kohlenstoff:Es handelt sich um eine nichtkristalline Form von Kohlenstoff, die bei relativ niedrigen Temperaturen abgeschieden werden kann.
     • Diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC):Diese Form des Kohlenstoffs hat ähnliche Eigenschaften wie Diamant, einschließlich hoher Härte und geringer Reibung.DLC-Schichten werden häufig durch eine Kombination aus Sputtering und chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht.
     • Graphen:Obwohl das Sputtern nicht die gängigste Methode zur Herstellung von Graphen ist, ist es möglich, unter bestimmten Bedingungen dünne Graphenschichten durch Sputtern abzuscheiden.

6. Herausforderungen und Überlegungen:

   • Ziel Material:Die Wahl des Targetmaterials ist entscheidend.Beim Kohlenstoffsputtern werden häufig Targets aus hochreinem Graphit verwendet, um die Qualität der abgeschiedenen Schicht zu gewährleisten.
   • Vorbereitung des Substrats:Das Substrat muss sorgfältig vorbereitet werden, um eine gute Haftung der Kohlenstoffschicht zu gewährleisten.Dies kann Reinigung, Erhitzung oder das Aufbringen einer Haftschicht beinhalten.
   • Prozess-Parameter:Die Parameter des Sputterprozesses, wie Druck, Temperatur und Spannung, müssen sorgfältig gesteuert werden, um die gewünschten Schichteigenschaften zu erzielen.So können zum Beispiel höhere Temperaturen erforderlich sein, um diamantartige Kohlenstoffschichten abzuscheiden.

7. Anwendungen von gesputterten Kohlenstoffschichten:

   • Schutzbeschichtungen:Kohlenstoffschichten, insbesondere diamantartiger Kohlenstoff, werden aufgrund ihrer Härte und geringen Reibung als Schutzschichten für Werkzeuge, medizinische Geräte und elektronische Bauteile verwendet.
   • Optische Beschichtungen:Amorphe Kohlenstoffschichten werden in optischen Anwendungen wie Antireflexbeschichtungen und Infrarot-Optik eingesetzt.
   • Elektronik:Kohlenstoffschichten werden in verschiedenen elektronischen Anwendungen eingesetzt, unter anderem als Elektroden in Batterien und Superkondensatoren und als leitende Schichten in Dünnschichttransistoren.

Das Verfahren umfasst die Erzeugung eines Vakuums, die Einleitung eines Inertgases, das Anlegen einer Hochspannung und die Nutzung eines Magnetfeldes, um das ionisierte Gas auf ein Kohlenstofftarget zu richten.Die dabei entstehenden Kohlenstoffschichten können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von Schutzschichten bis hin zu elektronischen Bauteilen.Das Verfahren erfordert jedoch eine sorgfältige Kontrolle der Parameter und kann je nach der gewünschten Form des Kohlenstoffs besondere Überlegungen erfordern.

Zusammenfassende Tabelle:

Schritt	Beschreibung
Vakuumerzeugung	Erzeugen Sie ein Vakuum (~1 Pa), um Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu entfernen.
Einleitung von Inertgas	Einleiten von Inertgas (z. B. Argon) zur Ionisierung und Erzeugung eines Plasmas.
Erhitzen der Kammer	Erhitzen der Kammer (150°C-750°C), um Verunreinigungen zu entfernen und die Haftung zu verbessern.
Magnetfeld und Hochspannung	Anlegen eines Magnetfelds und einer Hochspannung, um Gas zu ionisieren und Ionen auf das Ziel zu beschleunigen.
Targeterosion und Abscheidung	Erodieren des Zielmaterials (z. B. Graphit) und Abscheiden von Kohlenstoffatomen auf dem Substrat.
Arten von Kohlenstoffschichten	Es können amorpher Kohlenstoff, diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) und Graphen hergestellt werden.
Anwendungen	Schutzbeschichtungen, optische Beschichtungen und elektronische Bauteile.

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