Die Plasmabildung beim Sputtern erfolgt durch die Ionisierung eines Sputtergases, in der Regel eines Inertgases wie Argon oder Xenon. Dieser Vorgang ist entscheidend für die Einleitung des Sputterprozesses, einer Methode, die bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) zur Abscheidung dünner Schichten auf einem Substrat verwendet wird.
Zusammenfassung der Plasmabildung beim Sputtern:
Das Plasma wird durch Anlegen einer Hochspannung an ein Niederdruckgas (normalerweise Argon) in einer Vakuumkammer erzeugt. Diese Spannung ionisiert das Gas und bildet ein Plasma, das eine Glimmentladung abgibt, die oft als farbiger Halo sichtbar ist. Das Plasma besteht aus Elektronen und Gasionen, die durch die angelegte Spannung in Richtung des Zielmaterials beschleunigt werden.
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Ausführliche Erläuterung:
- Vorbereitung der Vakuumkammer:
- Die Beschichtungskammer wird zunächst auf einen sehr niedrigen Druck evakuiert, typischerweise etwa 10^-6 Torr, um die Verunreinigung durch Restgase zu minimieren.
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Nach Erreichen des gewünschten Vakuums wird das Sputtergas, z. B. Argon, in die Kammer eingeleitet.
- Anlegen der Spannung:
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Zwischen zwei Elektroden in der Kammer wird eine Spannung angelegt. Diese Spannung ist entscheidend für die Auslösung des Ionisierungsprozesses.
- Ionisierung und Plasmabildung:
- Die angelegte Spannung ionisiert das Sputtergas und erzeugt eine Glimmentladung. In diesem Zustand stoßen freie Elektronen mit den Gasatomen zusammen, wodurch sie Elektronen verlieren und zu positiv geladenen Ionen werden.
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Durch diesen Ionisierungsprozess wird das Gas in ein Plasma umgewandelt, einen Materiezustand, bei dem die Elektronen von ihren Atomen getrennt sind.
- Beschleunigung der Ionen:
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Die positiven Ionen des Sputtergases werden dann aufgrund des durch die angelegte Spannung erzeugten elektrischen Feldes in Richtung der Kathode (der negativ geladenen Elektrode) beschleunigt.
- Bombardierung und Sputtern:
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Die beschleunigten Ionen stoßen mit dem Targetmaterial zusammen, übertragen ihre Energie und bewirken, dass Atome aus dem Target herausgeschleudert werden. Diese ausgestoßenen Atome wandern dann und lagern sich auf dem Substrat ab und bilden einen dünnen Film.
- Sputtering-Rate:
Die Geschwindigkeit, mit der das Material aus dem Target gesputtert wird, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Sputterausbeute, das Molgewicht des Targetmaterials, seine Dichte und die Ionenstromdichte.
Dieser Prozess ist von grundlegender Bedeutung für verschiedene Sputtertechniken wie Ionenstrahl-, Dioden- und Magnetronsputtern, wobei das Magnetronsputtern aufgrund der Verwendung eines Magnetfelds zur Verbesserung der Ionisierung und des Einschlusses des Plasmas um das Target besonders effektiv ist.
