Die Sputterausbeute von Materialien bezieht sich auf die durchschnittliche Anzahl von Atomen, die aufgrund des Zusammenstoßes jedes Ions von der Oberfläche eines Zielmaterials ausgestoßen werden. Diese Ausbeute wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter der Winkel und die Energie des Ionenstoßes, die Gewichte der Ionen und der Zielatome, die Bindungsenergie des Zielmaterials und die Betriebsbedingungen wie Plasmagasdruck und Magnetfeldstärke.
Faktoren, die die Sputtering-Ausbeute beeinflussen:
- Winkel und Energie des Ioneneinschlags: Der Winkel, in dem die Ionen auf die Oberfläche des Targets treffen, und die Energie, die sie beim Aufprall haben, beeinflussen die Sputterausbeute erheblich. In der Regel werden bei Ionen mit höherer Energie und bei Ionen, die in einem rechtwinkligen Winkel auftreffen, mehr Atome aus der Oberfläche des Targets herausgeschleudert.
- Gewicht der Ionen und Zielatome: Die Masse der Ionen und der Targetatome spielt eine entscheidende Rolle. Schwerere Ionen oder Targetatome führen im Allgemeinen zu einer höheren Sputterausbeute, da bei den Kollisionen mehr Impuls übertragen wird.
- Bindungsenergie des Zielmaterials: Die Stärke der Bindungen zwischen den Atomen des Zielmaterials beeinflusst, wie leicht Atome herausgeschleudert werden können. Materialien mit geringerer Bindungsenergie lassen sich leichter sputtern und haben daher eine höhere Ausbeute.
- Betriebsbedingungen: Faktoren wie der Plasmagasdruck und das Vorhandensein von Magnetfeldern (insbesondere beim Magnetronsputtern) können die Dichte und Energie der Ionen, die das Target erreichen, beeinflussen und damit auch die Sputterausbeute.
Sputterausbeute und Materialabscheidung:
Die Sputterausbeute wirkt sich direkt auf die Rate aus, mit der Material auf einem Substrat abgeschieden werden kann, die so genannte Sputterrate. Diese Rate wird anhand der folgenden Formel berechnet:[ \text{Sputtering rate} = \frac{MSj}{pN_Ae} ]
wobei ( M ) das Molgewicht des Targets, ( S ) die Sputterausbeute, ( j ) die Ionenstromdichte, ( p ) die Materialdichte, ( N_A ) die Avogadrosche Zahl und ( e ) die Elektronenladung ist. Diese Formel veranschaulicht, wie die Optimierung der Sputterausbeute die Effizienz von Dünnschichtabscheidungsprozessen verbessern kann.
Anwendungen und Beschränkungen des Sputterns:
