Sputtering-Beschichtung: Wie es funktioniert und wo es eingesetzt wird

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Die kurze Antwort

Die Sputtering-Beschichtung ist ein PVD-Verfahren, bei dem energiereiche Ionen Atome aus einem festen Target herausschlagen. Diese Atome wandern dann durch eine Vakuumkammer und kondensieren auf einem Substrat, um eine dünne Schicht zu bilden.

Im Gegensatz zur Verdampfung, bei der das Material erhitzt wird, bis es sich in Dampf verwandelt, erfolgt beim Sputtern eine physikalische Impulsübertragung - wie bei einem mikroskopischen Spiel mit Billardkugeln. Dieser Unterschied verleiht dem Sputtern einzigartige Vorteile: bessere Haftung, präzise Steuerung der Zusammensetzung von Legierungen und die Möglichkeit, Materialien mit hohem Schmelzpunkt abzuscheiden.

Wenn Sie dichte, gut haftende Schichten aus fast jedem festen Material - Metall, Legierung, Keramik oder Halbleiter - benötigen, ist Sputtern wahrscheinlich die richtige Wahl.

Schema des Sputtering-Beschichtungsprozesses. Martins, R.M.S.. (2008). In-situ-Röntgenbeugungsstudien während des Wachstums von Ni-Ti-Schichten aus einer Formgedächtnislegierung und ihre ergänzende ex-situ-Charakterisierung.

Wie Sputtern funktioniert

Das Wort "Sputtern" beschreibt den physikalischen Prozess. Im Folgenden wird der Vorgang Schritt für Schritt beschrieben.

Schritt 1: Erzeugen eines Plasmas: Eine Vakuumkammer wird mit einer geringen Menge Inertgas - fast immer Argon - gefüllt. Eine Hochspannung, die zwischen einem Target (Kathode) und den Kammerwänden oder dem Substrathalter (Anode) angelegt wird, ionisiert das Argongas und erzeugt ein Plasma.

Schritt 2: Beschleunigung der Ionen: Die positiv geladenen Argon-Ionen werden von dem negativ geladenen Target angezogen. Durch die Spannungsdifferenz werden sie beschleunigt.

Schritt 3: Losschlagen von Atomen: Wenn ein Argon-Ion auf die Oberfläche des Targets trifft, überträgt es seinen Impuls. Wenn die Übertragung groß genug ist, wird ein Zielatom herausgeschleudert. Ein eintreffendes Ion kann durch eine Kollisionskaskade mehrere Zielatome herausschlagen.

Schritt 4: Transport durch das Vakuum: Die ausgestoßenen Target-Atome wandern durch die Vakuumkammer. Bei typischen Sputterdrücken (einige Millitorr) bewegen sie sich in fast geraden Linien mit wenigen Gaskollisionen.

Schritt 5: Kondensation auf dem Substrat: Die Atome treffen auf dem Substrat ein und kondensieren zu einem dünnen Film. Die Energie der ankommenden Atome - viel höher als bei der Verdampfung - hilft ihnen, sich auf der Oberfläche zu bewegen und dichte, gut haftende Schichten zu bilden.

Das ist Sputtern. Kein Schmelzen. Keine Verdampfung. Nur Atome, die durch Ioneneinschläge freigesetzt werden.

Eine einfache Art, sich das vorzustellen

Stellen Sie sich eine Billardkugel (ein Argon-Ion) vor, die auf ein dicht gepacktes Kugelregal (die Zielfläche) aufprallt. Durch den Aufprall werden mehrere Kugeln in verschiedene Richtungen geschleudert. Einige dieser Kugeln landen auf dem Substrat.

Sputtern ist Impulsübertragung, nicht thermische Verdampfung. Aus diesem Grund kann man Materialien sputtern, die bei 3.000 °C schmelzen - man muss sie nicht schmelzen.

Sputtern vs. Verdampfen: Die Hauptunterschiede

Diese beiden PVD-Verfahren werden oft miteinander verglichen. Hier ist der praktische Unterschied.

Die höhere Ankunftsenergie beim Sputtern ist der Hauptvorteil. Die energiereichen Atome können sich auf der Substratoberfläche neu anordnen, Hohlräume füllen und dichtere Schichten mit besserer Haftung bilden.

Der Nachteil ist die Komplexität. Das Sputtern erfordert die Erzeugung eines Plasmas und die Verwaltung des Targets. Beim Verdampfen wird nur ein heißer Tiegel benötigt.

Arten des Sputterns

Sputtern ist nicht nur eine Technik. Es ist eine ganze Familie. In der Reihe PVD-Grundlagen wird jede dieser Techniken in separaten Artikeln behandelt.

Wenn Sie neu im Bereich des Sputterns sind, sollten Sie mit dem Magnetronsputtern beginnen (das in dieser Serie separat behandelt wird). Dies ist die gängigste Produktionsmethode. Lernen Sie dann etwas über DC- und RF-Stromversorgungen, da sie bestimmen, welche Materialien Sie abscheiden können.

Was die Schichtqualität beim Sputtern beeinflusst

Zielreinheit: Eine geringere Reinheit bedeutet mehr Verunreinigungen in Ihrer Schicht. Für die Halbleiterindustrie benötigen Sie 99,95 % oder mehr. Für dekorative Beschichtungen sind 99,9 % ausreichend.

Targetdichte: Ein dichtes Target sputtert sauber. Bei einem porösen Target entstehen Ausgasungen, Lichtbögen und Partikel. Kaufen Sie für kritische Arbeiten niemals eine Scheibe mit geringer Dichte.

Basisdruck: Der Druck vor der Argonzufuhr. Ein höherer Basisdruck bedeutet mehr Restwasserdampf und Luft in der Kammer, die den Film oxidieren oder Verunreinigungen verursachen können. Streben Sie 10-⁶ Torr oder mehr an.

Sputterdruck: Der typische Bereich liegt zwischen 2 und 20 mTorr. Bei niedrigerem Druck gibt es weniger Gaszusammenstöße und eine gerichtete Abscheidung. Höherer Druck führt zu mehr Streuung und kann die Gleichmäßigkeit auf Kosten der Rate verbessern.

Vorspannung des Substrats. Durch eine negative Vorspannung des Substrats werden während der Abscheidung positive Ionen angezogen. Dies verdichtet die Schicht und verbessert die Haftung, kann aber die Schichtspannung erhöhen.

Allgemeine Anwendungen

Halbleiter: Metallschichten (Al, Cu, Ti, Ta) und Diffusionsbarrieren (TiN, TaN) werden gesputtert. Das Sputtern dominiert die Front-End- und Back-End-Metallabscheidung bei der Chipherstellung.

Festplatten: Die magnetischen Aufzeichnungsschichten und die Strukturen der Lese-/Schreibköpfe werden gesputtert. Dies ist eine der volumenstärksten Sputtering-Anwendungen.

Optische Beschichtungen: Antireflexbeschichtungen , Spiegel und Filter werden gesputtert, wenn hohe Dichte und Haltbarkeit erforderlich sind.

Dekorative Beschichtungen: Gold , Schwarz und andere farbige Oberflächen auf Uhren, Wasserhähnen und Autoteilen werden häufig gesputtert.

Solarzellen: Transparente leitfähige Oxide und Metallkontakte in Dünnschichtsolarzellen werden durch Sputtern hergestellt.

Werkzeugbeschichtungen. TiN-, AlTiN- und CrN-Beschichtungen auf Schneidwerkzeugen können durch Sputtern aufgebracht werden, aber auch Lichtbogenverdampfung ist üblich.

Wann sollte man Sputtern wählen?

Wählen Sie Sputtern, wenn:

• Sie dichte, gut haftende Schichten benötigen
• Ihr Material einen hohen Schmelzpunkt hat (Wolfram, Tantal, Platin)
• Sie eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung von Legierungen benötigen
• Ihr Substrat keine hohen Temperaturen verträgt
• Sie gleichmäßige Schichten über große Flächen benötigen

Wählen Sie die Aufdampfung, wenn:

• Sie die höchstmögliche Reinheit benötigen (keine Plasma- oder Targetverunreinigungen)
• Ihr Material einen niedrigen Schmelzpunkt hat (Aluminium, Gold, Silber)
• Sie ein möglichst einfaches System wünschen
• die Erwärmung des Substrats ein großes Problem darstellt

Zu beachtende Beschränkungen

Sichtlinienabscheidung: Das Sputtern ist wie das Verdampfen eine Sichtlinienabscheidung. Die Seiten von tiefen Löchern oder komplexen 3D-Formen lassen sich damit nicht gut beschichten. Für diese Anwendungen sollten Sie CVD in Betracht ziehen.

Die Ausnutzung des Targets ist bei planaren Systemen schlecht. 65-75 % des Targets werden durch das Racetrack-Erosionsmuster verschwendet. Rotierende Targets verbessern dies, kosten aber mehr.

Die Erzeugung von Partikeln ist ein Risiko: Lichtbogenbildung , Targetdefekte oder Abplatzungen von Abschirmungen können Partikel erzeugen, die Defekte verursachen. Dies ist ein ständiger Kampf bei der Halbleiterzerstäubung.

Isolatoren erfordern HF-Energie. Man kann einen Isolator nicht mit Gleichstrom sputtern. Sie benötigen HF-Leistung, die langsamer ist und eine Impedanzanpassung erfordert.

Das Fazit

Das Sputtern ist eine vielseitige, produktionserprobte PVD-Methode. Es eignet sich für fast alle festen Materialien, erzeugt dichte Schichten mit hervorragender Haftung und lässt sich von der Forschung bis zur Großserienfertigung einsetzen.

Die Haupteinschränkungen sind die Abscheidung mit Sichtkontakt und die schlechte Ausnutzung des Targets in planaren Systemen. Für viele Anwendungen sind dies akzeptable Kompromisse für die Schichtqualität und Materialflexibilität, die das Sputtern bietet.

Wenn Sie sich zwischen Sputtern und Verdampfen entscheiden müssen, stellen Sie sich zwei Fragen: Hat Ihr Material einen hohen Schmelzpunkt, und benötigen Sie dichte Schichten? Wenn Sie beides bejahen, ist Sputtern wahrscheinlich die richtige Wahl.

Dieser Artikel wurde von Stanford Advanced Materials, einem Anbieter von Sputtertargets und Verdampfungsmaterialien, zur Verfügung gestellt .