Was ist Sputtern?

Sputtern ist ein Verfahren zum Abscheiden sehr dünner Schichten eines Materials auf einer Oberfläche, indem ein Quellenmaterial in einer abgedichteten Kammer mit Elektronen oder anderen energetischen Partikeln beschossen wird, um Atome der Quelle als eine Form von Aerosol auszustoßen, das sich dann auf allen Oberflächen in der Kammer absetzt . Das Verfahren kann extrem feine Schichten von Filmen bis in den atomaren Maßstab abscheiden, ist jedoch in der Regel langsam und eignet sich am besten für kleine Oberflächen. Zu den Anwendungen zählen die Beschichtung biologischer Proben für die Bildgebung in Rasterelektronenmikroskopen (REM), die Dünnschichtabscheidung in der Halbleiterindustrie und die Abscheidung von Beschichtungen für miniaturisierte Elektronik. Die Nanotechnologieindustrie in der Medizin, der Informatik und der Materialwissenschaft setzt häufig auf Sputter-Abscheidung, um neue Verbundwerkstoffe und Bauelemente im Nanometer- oder Milliardstel-Meter-Maßstab zu entwickeln.

Es sind verschiedene Arten von Sputterverfahren gebräuchlich, einschließlich Gasfluss-, Reaktiv- und Magnetronsputtern. Ionenstrahl- und ionenunterstütztes Sputtern werden aufgrund der Vielzahl von Chemikalien, die in einem ionischen Zustand vorliegen können, ebenfalls häufig eingesetzt. Magnetron-Sputtern wird weiter unterteilt in Gleichstrom-, Wechselstrom- und Hochfrequenzanwendungen.

Beim Magnetron-Sputtern wird ein Magnetfeld um das Ausgangsmaterial gelegt, das zum Abscheiden von Schichten auf dem Target verwendet wird. Die Kammer wird dann mit einem Inertgas wie Argon gefüllt. Wenn das Quellenmaterial entweder mit Wechsel- oder Gleichstrom elektrisch geladen wird, werden ausgestoßene Elektronen im Magnetfeld gefangen und interagieren schließlich mit dem Argongas in der Kammer, um energiereiche Ionen zu erzeugen, die sowohl aus Argon als auch dem Quellenmaterial bestehen. Diese Ionen entweichen dann dem Magnetfeld und treffen auf das Targetmaterial auf, wobei sich langsam eine feine Schicht Quellmaterial auf dessen Oberfläche abscheidet. In diesem Fall wird HF-Sputtern verwendet, um mehrere Arten von Oxidfilmen auf isolierenden Targets abzuscheiden, indem die elektrische Vorspannung zwischen dem Target und der Quelle mit einer schnellen Geschwindigkeit variiert wird.

Ionenstrahlsputtern funktioniert, ohne dass die Quelle ein Magnetfeld benötigt. Ionen, die aus dem Quellenmaterial ausgestoßen werden, interagieren mit Elektronen aus einer Sekundärquelle, so dass sie das Ziel mit neutralen Atomen bombardieren. Dies macht ein Ionensputtersystem in der Lage, sowohl leitendes als auch isolierendes Targetmaterial und Teile, wie beispielsweise die Dünnfilmköpfe für Computerfestplatten, zu beschichten.

Reaktivsputtermaschinen beruhen auf chemischen Reaktionen zwischen dem Targetmaterial und Gasen, die in ein Kammervakuum gepumpt werden. Die direkte Kontrolle der Ablagerungsschichten erfolgt durch Ändern des Drucks und der Gasmengen in der Kammer. Filme, die in optischen Bauteilen und Solarzellen verwendet werden, werden häufig beim reaktiven Sputtern hergestellt, da die Stöchiometrie oder die chemischen Reaktionsraten präzise gesteuert werden können.