Sputtern ist ein Prozess, bei dem Atome durch den Aufprall energiereicher Teilchen aus der Oberfläche eines Materials herausgeschleudert werden. Der Energiebereich für diesen Prozess beginnt in der Regel bei einem Schwellenwert von etwa zehn bis hundert Elektronenvolt (eV) und kann sich auf mehrere hundert eV erstrecken. Die durchschnittliche Energie liegt oft um eine Größenordnung über der Oberflächenbindungsenergie.
Was ist der Energiebereich des Sputterns? (5 Schlüsselpunkte erklärt)
1. Schwellenenergie für Sputtern
Sputtern tritt ein, wenn ein Ion genügend Energie auf ein Zielatom überträgt, um dessen Bindungsenergie an der Oberfläche zu überwinden. Dieser Schwellenwert liegt normalerweise zwischen 10 und 100 eV. Unterhalb dieses Bereichs reicht die übertragene Energie nicht aus, um Atome aus dem Zielmaterial herauszuschleudern.
2. Energie der gesputterten Atome
Die kinetische Energie der gesputterten Atome ist sehr unterschiedlich, liegt aber im Allgemeinen bei mehr als zehn Elektronenvolt, häufig bei 600 eV. Diese hohe Energie ist auf den Impulsaustausch während der Ionen-Atom-Kollisionen zurückzuführen. Etwa 1 % der auf die Oberfläche auftreffenden Ionen führen zu einer erneuten Zerstäubung, bei der die Atome zurück auf das Substrat geschleudert werden.
3. Sputterausbeute und Energieabhängigkeit
Die Sputterausbeute, d. h. die durchschnittliche Anzahl der pro einfallendem Ion ausgestoßenen Atome, hängt von mehreren Faktoren ab, u. a. vom Winkel des Ioneneinfalls, der Ionenenergie, den Atomgewichten, der Bindungsenergie und den Plasmabedingungen. Die Energieverteilung der gesputterten Atome erreicht ihren Höhepunkt bei etwa der Hälfte der Oberflächenbindungsenergie, erstreckt sich aber auch auf höhere Energien, wobei die durchschnittliche Energie oft deutlich über der Schwelle liegt.
4. Arten des Sputterns und Energieniveaus
- DC-Dioden-Sputtern: Verwendet eine Gleichspannung von 500-1000 V, wobei Argon-Ionen bei Energien innerhalb dieses Bereichs Energie auf die Zielatome übertragen.
- Ionenstrahl-Sputtern: Mit einer durchschnittlichen Sputterenergie von 10 eV, die viel höher ist als die thermische Energie und typisch für die Vakuumverdampfung, werden hier höhere Energien eingesetzt.
- Elektronische Zerstäubung: Kann mit sehr hohen Energien oder hochgeladenen schweren Ionen erfolgen, was zu hohen Sputtering-Ergebnissen führt, insbesondere bei Isolatoren.
5. Anwendungen und Energiebedarf
Sputtern wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, u. a. bei der Abscheidung dünner Schichten, wo die hohe kinetische Energie der gesputterten Atome zur Bildung hochwertiger, gut haftender Schichten beiträgt. Das Verfahren erfordert in der Regel kinetische Energien, die viel höher sind als thermische Energien, was häufig mit Gleichspannungen von 3-5 kV oder HF-Frequenzen um 14 MHz erreicht wird.
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