Das Magnetronsputtern ist ein Verfahren zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), bei dem ein Magnetfeld zur Verstärkung der Ionisierung eines Zielmaterials in einer Vakuumkammer eingesetzt wird, was zur Abscheidung dünner Schichten auf Substraten führt. Das Prinzip des Magnetronsputterns beruht auf der Verwendung eines Magnetfeldes, das orthogonal zu einem elektrischen Feld auf der Oberfläche des Targets steht. Dadurch wird die Effizienz der Plasmaerzeugung und die Geschwindigkeit der Zerstäubung des Targetmaterials erhöht.
Ausführliche Erläuterung:
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Verstärkung der Plasmaerzeugung: Beim Magnetronsputtern wird ein geschlossenes Magnetfeld über der Oberfläche des Targets angelegt. Dieses Magnetfeld fängt die Elektronen in der Nähe des Targets ein und veranlasst sie, spiralförmigen Bahnen um die Magnetfeldlinien zu folgen. Dieser Einschluss erhöht die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen zwischen Elektronen und Argonatomen (oder anderen im Prozess verwendeten Inertgasatomen), was wiederum die Ionisierung des Gases und die Erzeugung eines Plasmas fördert.
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Erhöhte Sputter-Effizienz: Das Magnetfeld fängt die Elektronen nicht nur ein, sondern erhöht auch ihre Verweilzeit in der Nähe des Targets. Diese verlängerte Wechselwirkung führt zu einer höheren Ionisierungsrate und folglich zu einem Anstieg der Zahl der energetischen Ionen, die das Target beschießen. Diese energiereichen Ionen lösen die Atome aus dem Targetmaterial durch einen Prozess, der als Sputtern bezeichnet wird. Die gesputterten Atome wandern dann weiter und lagern sich auf einem Substrat ab und bilden einen dünnen Film.
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Niedrige Temperatur und hohe Geschwindigkeit: Einer der Vorteile des Magnetron-Sputterns ist die Fähigkeit, bei relativ niedrigen Temperaturen zu arbeiten und gleichzeitig hohe Abscheidungsraten zu erzielen. Dies ist entscheidend für die Abscheidung von Dünnschichten auf temperaturempfindlichen Substraten, ohne diese zu beschädigen. Die niedrige Temperatur wird dadurch erreicht, dass das Magnetfeld das Plasma in der Nähe des Targets einschließt, wodurch die auf das Substrat übertragene Energie reduziert wird.
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Anwendung und Verbesserung: Das Standard-Magnetron-Sputtern ist zwar effektiv, doch gibt es Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich des Ionisierungsverhältnisses von Molekülen bei niedrigen Temperaturen. Um dies zu überwinden, wird die Technologie des plasmaunterstützten Magnetronsputterns eingesetzt, bei der mehr Plasma in das System eingebracht wird. Dadurch wird die Leistung der Beschichtungen erheblich verbessert, da sie härter und glatter werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beim Magnetronsputtern ein Magnetfeld genutzt wird, um Elektronen einzufangen und ihre Wechselwirkung mit Gasatomen zu verstärken, wodurch die Plasmaerzeugung und das Sputtern des Zielmaterials verbessert werden. Diese Technik ist in der Beschichtungsindustrie aufgrund ihrer hohen Effizienz, geringen Beschädigung und der Möglichkeit, dünne Schichten bei niedrigen Temperaturen abzuscheiden, weit verbreitet.
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