Die für das Sputtern erforderliche Energie wird durch die minimale Energieschwelle bestimmt, die erforderlich ist, um die Oberflächenbindungsenergie des Zielmaterials zu überwinden.Diese Schwelle liegt in der Regel zwischen zehn und hundert Elektronenvolt (eV) und wird von Faktoren wie der Energie der einfallenden Ionen, der Masse der Ionen und der Targetatome sowie dem Einfallswinkel beeinflusst.Die Sputterausbeute, d. h. die Anzahl der pro einfallendem Ion ausgestoßenen Targetatome, hängt von diesen Faktoren ab und variiert bei verschiedenen Targetmaterialien und Sputterbedingungen.Die Sputterrate, die für eine gleichmäßige Dünnschichtabscheidung entscheidend ist, wird durch die Energie der Ionen, die Masse der Targetatome und andere Parameter wie den Kammerdruck und die Art der verwendeten Stromquelle (Gleichstrom oder Hochfrequenz) beeinflusst.
Die wichtigsten Punkte werden erklärt:
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Minimale Energieschwelle für Sputtern:
- Die für das Sputtern erforderliche Mindestenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um genügend Energie auf ein Zielatom zu übertragen, um dessen Oberflächenbindungsenergie zu überwinden.
- Dieser Schwellenwert liegt normalerweise zwischen 10 bis 100 eV .
- Die Primärenergie, d. h. die Mindestenergie, die erforderlich ist, um ein Atom von der Oberfläche des Zielmaterials zu entfernen, ist in der Regel 3 bis 4 Mal größer als die Bindungsenergie der Zielatome an der Oberfläche.
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Faktoren, die die Sputternergie beeinflussen:
- Einfallende Ionenenergie:Die Energie der Ionen, die auf das Zielmaterial treffen, spielt eine entscheidende Rolle bei der Entscheidung, ob es zu einer Zerstäubung kommt.Eine höhere Ionenenergie erhöht die Wahrscheinlichkeit des Sputterns.
- Masse der Ionen und Zielatome:Das Massenverhältnis zwischen den einfallenden Ionen und den Zielatomen beeinflusst die Effizienz der Energieübertragung.Schwerere Ionen können mehr Energie auf die Zielatome übertragen, was das Sputtern erleichtert.
- Einfallswinkel:Der Winkel, in dem die Ionen auf die Oberfläche des Targets treffen, kann die Sputterausbeute beeinflussen.In der Regel führt ein direkterer Winkel (näher an der Senkrechten) zu einer höheren Sputterausbeute.
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Sputtering-Ausbeute:
- Die Sputterausbeute ist definiert als die Anzahl der pro einfallendem Ion ausgestoßenen Targetatome.
- Sie hängt von der Energie der einfallenden Ionen, der Masse der Ionen und der Targetatome sowie vom Einfallswinkel ab.
- Die Ausbeute variiert bei verschiedenen Targetmaterialien und Sputterbedingungen und ist daher ein kritischer Parameter bei Dünnschichtabscheidungsverfahren.
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Sputtering Rate:
- Die Sputterrate ist die Anzahl der pro Sekunde von der Oberfläche eines Targets gesputterten Monoschichten.
- Sie wird beeinflusst durch die Sputterausbeute (S), das Molgewicht des Targets (M), die Materialdichte (p) und die Ionenstromdichte (j).
- Die Sputterrate kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden: Zerstäubungsrate = (MSj)/(pNAe) , wobei NA ist die Avogadro-Zahl und e ist die Elektronenladung.
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Rolle von Kammerdruck und Stromquelle:
- Kammerdruck:Der Druck in der Sputterkammer kann die Bedeckung und Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Schicht beeinflussen.Optimale Druckbedingungen können die Qualität der Dünnschicht verbessern.
- Art der Energiequelle:Die Wahl zwischen DC- und RF-Stromquellen wirkt sich auf die Abscheidungsrate, die Materialkompatibilität und die Kosten aus.Das Gleichstromsputtern wird in der Regel für leitfähige Materialien verwendet, während das Hochfrequenzsputtern für isolierende Materialien geeignet ist.
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Überschüssige Energie und Oberflächenmobilität:
- Die überschüssige Energie der Metallionen kann die Oberflächenmobilität während des Sputterprozesses erhöhen, was sich auf die Qualität der abgeschiedenen Schicht auswirkt.
- Eine höhere Oberflächenbeweglichkeit kann zu einer besseren Schichtgleichmäßigkeit und weniger Defekten führen, was für Anwendungen, die hochwertige Dünnschichten erfordern, entscheidend ist.
Wenn man diese Schlüsselpunkte versteht, kann man den Sputterprozess besser steuern, um die gewünschten Ergebnisse bei der Abscheidung von Dünnschichten zu erzielen und Gleichmäßigkeit, Qualität und Effizienz zu gewährleisten.
Zusammenfassende Tabelle:
| Schlüsselfaktor | Beschreibung |
|---|---|
| Minimale Energieschwelle | Die zur Überwindung der Oberflächenbindungsenergie erforderliche Energie, in der Regel 10-100 eV. |
| Energie der einfallenden Ionen | Eine höhere Ionenenergie erhöht die Wahrscheinlichkeit des Sputterns. |
| Masse der Ionen und Zielatome | Schwerere Ionen übertragen mehr Energie und erleichtern das Sputtern. |
| Einfallswinkel | Direkte Winkel (näher an der Senkrechten) ergeben höhere Sputtering-Raten. |
| Sputtering-Ausbeute | Anzahl der pro einfallendem Ion ausgestoßenen Zielatome, variiert je nach Material und Bedingungen. |
| Zerstäubungsrate | Beeinflusst durch Sputterausbeute, Molgewicht, Materialdichte und Ionenstrom. |
| Kammerdruck | Beeinflusst die Gleichmäßigkeit des Films; optimaler Druck verbessert die Qualität. |
| Stromquelle (DC/RF) | DC für leitende Materialien, RF für isolierende Materialien. |
| Überschüssige Energie und Mobilität | Erhöht die Oberflächenmobilität, verbessert die Gleichmäßigkeit der Schichten und reduziert Defekte. |
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