Beim Ionensputtern werden Atome aus einer festen Oberfläche herausgeschleudert, wenn diese von ionisierten und beschleunigten Atomen oder Molekülen beschossen wird.
Dieses Phänomen wird häufig für verschiedene Anwendungen genutzt, z. B. für die Bildung dünner Schichten auf einer festen Oberfläche, die Beschichtung von Proben und das Ionenätzen.
Was ist Ionen-Sputtern? 7 wichtige Punkte zum Verständnis
1. Der Prozess des Ionen-Sputterns
Bei diesem Verfahren wird ein Strahl ionisierter Atome oder Moleküle auf ein Zielmaterial, auch Kathode genannt, gerichtet.
Das Zielmaterial befindet sich in einer Vakuumkammer, die mit Inertgasatomen gefüllt ist.
Das Zielmaterial wird negativ geladen, wodurch es zur Kathode wird und freie Elektronen aus ihm herausfließen.
Diese freien Elektronen kollidieren mit den Elektronen, die die Gasatome umgeben, stoßen sie ab und wandeln sie in positiv geladene, hochenergetische Ionen um.
2. Die Rolle der positiv geladenen Ionen
Die positiv geladenen Ionen werden dann von der Kathode angezogen.
Wenn sie mit hoher Geschwindigkeit auf das Zielmaterial treffen, lösen sie atomgroße Teilchen von der Oberfläche der Kathode ab.
Diese gesputterten Teilchen durchqueren dann die Vakuumkammer und landen auf einem Substrat, wobei ein dünner Film der ausgestoßenen Target-Ionen entsteht.
3. Vorteile des Ionen-Sputterns
Einer der Vorteile des Ionen-Sputterns besteht darin, dass es eine hohe Schichtdichte und -qualität ermöglicht, da die Ionen die gleiche Richtung und Energie besitzen.
Dieses Verfahren wird häufig für die Herstellung von hochwertigen Dünnschichten für verschiedene Anwendungen eingesetzt.
4. Sputtern als physikalischer Prozess
Sputtern ist ein physikalischer Prozess, bei dem Atome aus einem festen Zielmaterial in die Gasphase geschleudert werden, indem das Material mit energiereichen Ionen, in der Regel Edelgas-Ionen, beschossen wird.
Es wird üblicherweise als Abscheidungsverfahren in Hochvakuumumgebungen eingesetzt, das als Sputterdeposition bekannt ist.
Darüber hinaus wird das Sputtern als Reinigungsverfahren zur Herstellung hochreiner Oberflächen und als Analysetechnik zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Oberflächen eingesetzt.
5. Die Rolle des Plasmas beim Sputtern
Beim Sputtern wird die Energie eines Plasmas, also eines teilweise ionisierten Gases, genutzt, um die Oberfläche eines Zielmaterials oder einer Kathode zu beschießen.
Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld auf das Target beschleunigt, wodurch eine Reihe von Impulsübertragungsprozessen zwischen den Ionen und dem Targetmaterial ausgelöst werden.
Diese Prozesse führen zum Ausstoß von Atomen aus dem Targetmaterial in die Gasphase der Beschichtungskammer.
6. Der Mechanismus des Sputterns
In einer Niederdruckkammer können die ausgestoßenen Targetteilchen durch Sichtkontakt fliegen oder ionisiert und durch elektrische Kräfte in Richtung eines Substrats beschleunigt werden.
Sobald sie das Substrat erreichen, werden sie adsorbiert und werden Teil der wachsenden Dünnschicht.
Das Sputtern wird größtenteils durch den Impulsaustausch zwischen den Ionen und Atomen im Targetmaterial aufgrund von Kollisionen angetrieben.
Wenn ein Ion mit einem Atomcluster im Targetmaterial kollidiert, können nachfolgende Kollisionen zwischen den Atomen dazu führen, dass einige der Oberflächenatome aus dem Cluster herausgeschleudert werden.
Die Sputterausbeute, d. h. die Anzahl der pro einfallendem Ion aus der Oberfläche ausgestoßenen Atome, ist ein wichtiges Maß für die Effizienz des Sputterprozesses.
7. Arten von Sputtering-Prozessen
Es gibt verschiedene Arten von Sputterverfahren, darunter Ionenstrahl-, Dioden- und Magnetronsputtern.
Beim Magnetronsputtern wird eine Hochspannung an ein Niederdruckgas, in der Regel Argon, angelegt, um ein Hochenergieplasma zu erzeugen.
Das Plasma besteht aus Elektronen und Gas-Ionen.
Die energiereichen Ionen im Plasma treffen auf ein Target aus dem gewünschten Beschichtungsmaterial, wodurch Atome aus dem Target herausgeschleudert werden und sich mit denen des Substrats verbinden.
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