Die Sputterrate ist ein Maß für die Materialmenge, die pro Zeiteinheit von einem Target entfernt wird.
Sie wird in der Regel in Form von Monolagen pro Sekunde angegeben.
Die Sputterrate wird von mehreren Faktoren beeinflusst.
Zu diesen Faktoren gehören die Sputterausbeute, das molare Gewicht des Targetmaterials, die Materialdichte und die Ionenstromdichte.
5 Schlüsselfaktoren, die die Sputtering-Rate beeinflussen
1. Zerstäubungsausbeute (S)
Die Sputterausbeute ist die Anzahl der pro einfallendem Ion aus dem Target ausgestoßenen Atome.
Sie ist ein kritischer Faktor, da sie sich direkt auf die Rate auswirkt, mit der Material vom Target entfernt wird.
Die Sputterausbeute hängt vom Targetmaterial, der Masse der beschossenen Teilchen und ihrer Energie ab.
Im Allgemeinen steigt die Ausbeute mit der Masse und der Energie der beschossenen Teilchen innerhalb des für das Sputtern typischen Energiebereichs (10 bis 5000 eV).
2. Molare Masse des Targets (M)
Das molare Gewicht des Targetmaterials spielt ebenfalls eine Rolle bei der Bestimmung der Sputterrate.
Materialien mit höheren Molgewichten haben andere Sputterraten als leichtere Materialien, vorausgesetzt, alle anderen Faktoren sind konstant.
3. Materialdichte (p)
Die Dichte des Zielmaterials beeinflusst, wie dicht die Atome gepackt sind.
Ein dichteres Material hat mehr Atome pro Flächeneinheit, was sich auf die Geschwindigkeit auswirken kann, mit der diese Atome abgesputtert werden.
4. Ionenstromdichte (j)
Die Ionenstromdichte bezieht sich auf die Menge des Ionenflusses, der auf das Target trifft.
Eine höhere Ionenstromdichte bedeutet, dass mehr Ionen pro Flächeneinheit und Zeiteinheit auf das Target treffen, was die Sputterrate erhöhen kann.
Mathematische Darstellung der Zerstäubungsrate
Die Sputterrate kann mathematisch wie folgt dargestellt werden: [ \text{Sputtering rate} = \frac{MSj}{pN_Ae} ]
In dieser Gleichung steht ( N_A ) für die Avogadro-Zahl und ( e ) für die Elektronenladung.
Diese Gleichung zeigt, dass die Sputterrate direkt proportional zur Sputterausbeute, zum Molgewicht und zur Ionenstromdichte und umgekehrt proportional zur Materialdichte und Avogadrozahl ist.
Praktische Implikationen und Herausforderungen
In praktischen Anwendungen ist die Sputterrate entscheidend für die Kontrolle der Abscheidungsrate und der Qualität der Beschichtung.
Aufgrund der zahlreichen Variablen (wie Sputterstrom, Spannung, Druck und Abstand zwischen Target und Probe) ist es jedoch oft schwierig, die Sputterrate genau zu berechnen.
Daher empfiehlt sich die Verwendung eines Schichtdickenmessgeräts zur Messung der tatsächlich abgeschiedenen Schichtdicke, um den Sputterprozess genauer steuern zu können.
Nachteile des Sputterns
Sputtern ist zwar ein vielseitiges Verfahren für die Abscheidung dünner Schichten, hat aber auch einige Nachteile.
Dazu gehören hohe Investitionskosten, relativ niedrige Abscheidungsraten für einige Materialien, die Verschlechterung bestimmter Materialien durch Ionenbeschuss und die Tendenz, aufgrund der Betriebsbedingungen Verunreinigungen einzubringen.
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