Ionen-Sputtern ist ein Verfahren, das bei der Abscheidung dünner Schichten eingesetzt wird.
Dabei werden energiereiche Ionen auf ein Zielmaterial beschleunigt.
Diese Ionen treffen auf die Oberfläche des Zielmaterials und bewirken, dass Atome herausgeschleudert oder abgesputtert werden.
Die gesputterten Atome wandern dann zu einem Substrat und werden in eine wachsende Schicht eingebaut.
Wie funktioniert das Ionen-Sputtern? Erklärt in 7 einfachen Schritten
1. Erzeugung energiereicher Ionen
Für den Sputterprozess werden Ionen mit ausreichender Energie benötigt.
Diese Ionen werden auf die Oberfläche des Targets gerichtet, um Atome auszustoßen.
Die Wechselwirkung zwischen den Ionen und dem Zielmaterial wird durch die Geschwindigkeit und Energie der Ionen bestimmt.
Elektrische und magnetische Felder können zur Steuerung dieser Parameter verwendet werden.
2. Die Rolle der Streuelektronen
Der Prozess beginnt damit, dass ein Streuelektron in der Nähe der Kathode auf die Anode beschleunigt wird.
Dieses Elektron stößt mit einem neutralen Gasatom zusammen und verwandelt es in ein positiv geladenes Ion.
3. Ionenstrahl-Sputtern
Beim Ionenstrahlsputtern wird ein Ionen-Elektronenstrahl auf ein Target gerichtet, um Material auf ein Substrat zu sputtern.
Das Verfahren beginnt damit, dass die zu beschichtende Oberfläche in eine mit Inertgasatomen gefüllte Vakuumkammer gebracht wird.
Das Targetmaterial erhält eine negative Ladung, die es in eine Kathode umwandelt und den Austritt freier Elektronen bewirkt.
Diese freien Elektronen stoßen dann mit den Elektronen zusammen, die die negativ geladenen Gasatome umgeben.
Dadurch werden die Gaselektronen abgestoßen und die Gasatome in positiv geladene, hochenergetische Ionen umgewandelt.
Das Zielmaterial zieht diese Ionen an, die mit hoher Geschwindigkeit mit ihm kollidieren und atomgroße Teilchen ablösen.
4. Gesputterte Teilchen
Diese gesputterten Teilchen durchqueren dann die Vakuumkammer und landen auf dem Substrat, wobei ein Film aus ausgestoßenen Target-Ionen entsteht.
Die gleichmäßige Ausrichtung und Energie der Ionen trägt zu einer hohen Filmdichte und -qualität bei.
5. Die Vakuumkammer
In einem Sputtering-System findet der Prozess in einer Vakuumkammer statt.
Das Substrat für die Beschichtung ist in der Regel Glas.
Das Ausgangsmaterial, das so genannte Sputtertarget, ist ein rotierendes Target aus Metall, Keramik oder sogar Kunststoff.
So kann beispielsweise Molybdän als Target für die Herstellung leitfähiger Dünnschichten in Displays oder Solarzellen verwendet werden.
6. Initiierung des Sputterprozesses
Um den Sputterprozess einzuleiten, wird das ionisierte Gas durch ein elektrisches Feld auf das Target beschleunigt und beschießt es.
Die Kollisionen zwischen den auftreffenden Ionen und dem Targetmaterial führen zum Ausstoß von Atomen aus dem Targetgitter in den gasförmigen Zustand der Beschichtungskammer.
Diese Targetteilchen können dann durch Sichtkontakt fliegen oder ionisiert und durch elektrische Kräfte auf das Substrat beschleunigt werden, wo sie adsorbiert werden und Teil der wachsenden Dünnschicht werden.
7. DC-Zerstäubung
Das DC-Sputtern ist eine spezielle Form des Sputterns, bei der eine Gleichstrom-Gasentladung verwendet wird.
Bei diesem Verfahren treffen Ionen auf das Target (Kathode) der Entladung, das als Quelle für die Abscheidung dient.
Das Substrat und die Wände der Vakuumkammer können als Anode dienen, und eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung wird verwendet, um die erforderliche Spannung bereitzustellen.
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