PVD 2

Sputtern - Strukturzonenmodell nach Thornton

• Beschreibt das Wachstumsverhalten von PVD-Schichten n Abhängigkeit von der Depositionsrate und der Substrattemperatur.

• Drei charakteristische Zonen des Schichtwachstums

Zone I (Säulenwachstum): Niedrige Depositionsrate, niedrige Substrattemperatur.

• Atomo Diffundiren sehr wenig

Zone II (Übergangszone): Mittlere Depositionsrate, moderate Substrattemperatur

• Atome diffundieren besser (aber defekte möglich)

Zone III (kohärentes Wachstum): Hohe Depositionsrate, hohe Substrattemperatur.

• Atome diffundieren am besten, da ausreichend wenrgie

• Um Atome oder Ionen des Targetmaterial zu ionisieren und von der Targetoberfläche abzustoßen, um Beschichtung auf Substrat zu bilden

  
  

  Nicht leitende Materialel mit Radiofrequenz- (RF-)Sputtern

  • Hier wird Hochfrequenz (RF) anstelle von Gleichstrom verwendet, um die Ionisierung der Targetatome zu erreichen.

• Gleichstrommethode

  • Elektronen werden in einem Gleichfeld beschleunigt

  • ab einer bestimmten Spannung reicht die von den Elektronen aus dem Feld aufgenommene Energie aus, um Atome und Moleküle zu ionisieren.

  • bildet sich eine Elektronenlawine (strom steigt an)

  • wenn Elektronen so viele Ionen erzeugen, dass diese genügend Sekundärelektronen auslösen,

  • brennt die Entladung selbständig, (Townsend-Kriterium).

• Hochfrequenzmethode

  • Elektronen wird die zur Ionisation benötigte Energie durch ein HF-Feld entweder induktiv in einem Wirbelfeld oder kapazitiv über zwei Elektroden zugeführt.

1. Stoßionisation im Volumen

2. Transport der positiven Ionen durch ambipolare Diffusion

1. Wandrekombination

2. Rückdiffusion der Neutralteilchen ins Volumen

• Atome aus einem als Kathode geschalteten Festkörper (Target) durch Beschuss mit energiereichen Edelgasionen herausgeschlagen werden und in die Gasphase übergehen.

• Das Target muss elektrisch leitend sein und ist negativ vorgespannt (Kathode).

• Ionenerzeugung in der Gasentladung.

• Die einfallenden, energiereichen positiven Ionen geben ihre Energie in Form von Stoßkaskaden ab; die Impulsumkehr wird durch Stöße der Targetatome untereinander erreicht.

• Bei Überschreitung einer Mindestenergie von ca. 10 … 30 eV (Schwellenenergie) wird Targetmaterial abgetragen.

Sputternde Ionen erzeugen SekundärElektronen, die aus Kathode austreten und die Reaktion (Ionisation) in Gang halten

Sputtern - Verfahrensvarianten

• Direct Current (DC)-Sputtern

  • Elektrische Energie wird verwendet, um Atome oder Ionen von einem elektrisch leitenden Target zu ionisieren.

• Radio frequenz-Sputtern

  • Hochfrequenz (RF) wird verwendet, um Atome oder Ionen von einem nicht leitenden oder leitfähigen Target zu ionisieren.

• Unbalanced und Balanced Magnetron Sputtern:

  • Ein Magnetfeld wird eingesetzt, um die Plasmabildung zu verbessern.

• Hochimpuls (HI)- und Mittelfrequenz (MF)-Techniken:

  • HI-Sputtern nutzt sehr kurze Impulse hoher Leistung für verbesserte Beschichtungseigenschaften, während MF-Sputtern

• Ionenstrahlsputtern:

  • Hier wird ein Ionenstrahl verwendet, um das Targetmaterial zu sputtern

• Gasflusssputtern:

  • Zusätzlich zum Targetmaterial wird ein Reaktionsgas eingesetzt,

• Halbleiter und Isolatoren möglich

• Substrat bleibt kühler

• Bias-Spannung möglich

• ermöglicht die Herstellung von dünnen Schichten mit einer anderen Gefügestruktur als dies bei höheren Drücken möglich wäre.

• herkömmliche Schmelz und Gießverfahren

• Vakuumschmelzverfahren

• Pulvermetallurgische Verfahren

• Beschichtung (z. B. durch thermisches Spritzen)

• verbesserte Targetausnutzung

• längere Anlagenbetriebsdauer

Vorteile des Sputtern gegenüber Bedampfen:

 besser kontrollierbar

 alle Materialien können gesputtert werden Metalle, Isolatoren, Legierungen, …

 bessere Kontaktbedeckung und höhere Dichte

Nachteile:

 höhere Prozessdrücke als beim Aufdampfen

 aufwendigere Anlagentechnik

 Targets sind sehr teuer.

Bestimmung der chemischen Zusammensetzung

• REM EDX

PVD Bestimmung des strukturellen Aufbaus

• XRD Untersuchung (Eigenspannung)

Bestimmung der mechanischen Eigenschaften

-Mikrohärtebestimmung Indenter

Bestimmung der Haftung - Indentation / Ritztest

Bestimmung der tribologischen Eigenschaften

Bestimmung des Einsatzverhaltens