Sputtern ist eine Methode zur Herstellung dünner Schichten.
Es handelt sich um eine Art der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD).
Im Gegensatz zu anderen Aufdampfverfahren wird das Material nicht geschmolzen.
Stattdessen werden die Atome aus dem Ausgangsmaterial (Target) durch Impulsübertragung von einem beschossenen Teilchen, in der Regel ein gasförmiges Ion, herausgeschleudert.
Mechanismus des Sputterns: Wie es funktioniert
Beim Sputtern wird ein kontrolliertes Gas, normalerweise chemisch inertes Argon, in eine Vakuumkammer eingeleitet.
Der Prozess beginnt mit der elektrischen Erregung einer Kathode, um ein sich selbst erhaltendes Plasma zu erzeugen.
Die freiliegende Oberfläche der Kathode, das so genannte Sputtertarget, wird dann mit hochenergetischen Ionen aus dem Plasma beschossen.
Diese Ionen übertragen ihren Impuls auf die Atome auf der Oberfläche des Targets, wodurch diese herausgeschleudert werden.
Vorteile des Sputterns: Warum es so beliebt ist
Ein Vorteil des Sputterns besteht darin, dass die beim Sputtern ausgestoßenen Atome im Vergleich zu verdampften Materialien eine wesentlich höhere kinetische Energie haben.
Dies führt zu einer besseren Adhäsion auf dem Substrat.
Mit dieser Methode können auch Materialien mit sehr hohen Schmelzpunkten verarbeitet werden, was sie für die Abscheidung einer breiten Palette von Materialien vielseitig macht.
Das Sputtern kann in verschiedenen Konfigurationen durchgeführt werden, darunter Bottom-up- oder Top-down-Ansätze, je nach den spezifischen Anforderungen der Dünnschichtanwendung.
Prozessabfolge beim Sputtern: Schritt-für-Schritt
- Das Abscheidungsmaterial wird in einer Sputterkammer unter niedrigem Druck, typischerweise einem Teilvakuum, platziert.
- Es wird ein Plasma erzeugt, und gasförmige Ionen werden auf das Target beschleunigt.
- Die Ionen kollidieren mit dem Target und stoßen Atome von dessen Oberfläche ab.
- Diese ausgestoßenen Atome wandern durch die Kammer und kondensieren auf dem Substrat und bilden einen dünnen Film.
- Die Dicke des Films hängt von der Dauer des Sputterprozesses ab und kann durch Einstellung von Parametern wie dem Energieniveau der Beschichtungspartikel und der Masse der beteiligten Materialien gesteuert werden.
Arten von Sputtering-Umgebungen: Unterschiedliche Bedingungen
Die Sputterbeschichtung kann in verschiedenen Umgebungen durchgeführt werden:
- Im Vakuum oder unter niedrigem Gasdruck (<5 mTorr), wo die gesputterten Teilchen keine Gasphasenkollisionen erfahren, bevor sie das Substrat erreichen.
- Bei höherem Gasdruck (5-15 mTorr) werden die energiereichen Teilchen durch Gasphasenkollisionen "thermisiert", bevor sie das Substrat erreichen, was sich auf die Energieverteilung und die Abscheidungsrate des gesputterten Materials auswirken kann.
Anwendungen des PVD-Sputterns: Wo es eingesetzt wird
Die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Abscheidung dünner Schichten aus verschiedenen Materialien auf Substraten.
Diese Technik ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung elektronischer Geräte, optischer Beschichtungen und verschiedener industrieller Anwendungen, bei denen die präzise Abscheidung dünner Schichten unerlässlich ist.
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