PVD

• Kondensation von Dampf oder Teilchen auf der Substratoberfläche (atomarer Übertrag)

• Geringe Substrattemperaturen möglich

Energiezufuhr durch:

• Wärme

• Bestrahlung (zB Laser)

• Ionenbeschuss

Beispiele für Verfahrensvarianten:

• Dedampfung

• Kathodenzerstäubung = Sputter-Beschichtung

• Vakuumbogenabscheidung

• Puls-Laser-Deposotion

• Verdampfung von Materialien durch Erhitzen einer Verdampfungsquelle in Vakuumkammer.

• Materialien: Metalle oder metallische Materialien.

• Verdampfung von Materialien durch Beschuss mit fokussiertem Elektronenstrahl in Vakuumkammer.

• Materialien: Verschiedene Materialien, nicht nur Metalle.

Einflussfaktoren auf Beschichtungsrate:

• Temperatur der Verdampfungsquelle (höhere Temperatur → höhere Rate).

• Vakuumniveau in der Kammer (optimales Vakuum für verbesserte Qualität).

• Abstand und Winkel zwischen Quelle und Substrat

  
  

Einflussfaktoren auf Schichtreinheit:

• Hohe Temperaturen können unerwünschte Verunreinigungen freisetzen.

Einflussfaktoren auf Beschichtungsrate:

• Leistung des Elektronenstrahls (höhere Leistung → höhere Rate).

• Substrattemperatur (beeinflusst Haftung und Struktur der Schicht).

• Vakuumniveau in der Kammer.

• Präzise Positionierung des Elektronenstrahls über der Verdampfungsquelle.

  
  

Einflussfaktoren auf Schichtreinheit:

• Kontrolle des Vakuums und der Prozessparameter ist wichtig für hohe Reinheit der Schicht.

• Schichtdickenverteilung beschreibt die gleichmäßige oder ungleichmäßige Verteilung der Beschichtungsdicke auf der Substratoberfläche.

• Homogene Schichtdickenverteilung ist wichtig für die Qualität und Funktion der Beschichtung.

  
  

• Faktoren, die die Schichtdickenverteilung beeinflussen:

  • Prozessparameter wie Verdampfungsrate, Substrattemperatur, Vakuumniveau und Strahlausrichtung.

  • Geometrie der Verdampfungsquelle, z. B. Form und Größe.

  • Substratorientierung und -geometrie.

  • Vakuumkammergeometrie und Gasfluss.

  • Entfernung zwischen Quelle und Substrat.

  
  

• Markierungstechniken können verwendet werden, um bestimmte Bereiche des Substrats vor der Beschichtung zu schützen und eine selektive Beschichtung zu ermöglichen.

• Einführung von Bewegungen (meist der Substrate) zur Homogenisierung

Materialien für die Verdampfung:

• Metalle:

  • problemlos sofern ein Tiegelvorhanden ist, der ausreichend hohe Temp. ermöglicht und chemsich nicht mit Dampfgut reagiert

• Legierungen, Mischungen

  • schwieriger, da untersch. Dampfdrücke vorliegen

  • Zusammensetzung Schicht = Zusammensetzung Targetmaterial

  • Schichtzusammensetzung nicht frei wählbar

    • Lösung: mehrere Verdampfer pro Material

      -> hoher Aufwand

• Organische Materialien, Oxide (chemische Verbindungen)

  • Abpumpen flüchtiger Anteile

  • bei Oxiden: Zugabe von Sauerstoff als Reaktivgas

  • Aufwand bei Prozessreglung

  • Verhalten materialabhängig

Aspekte bei der Schichtzusammensetzung:

• Reinheit des Beschichtungsmaterials ist entscheidend für die Vermeidung von Verunreinigungen in der Schicht.

• Kontrolle der Stöchiometrie bei der Abscheidung von Verbindungen wie Oxiden.

• Möglichkeit des reaktiven Verdampfens für komplexe Schichten und Verbindungen.

• Wichtigkeit der Adhäsion und Haftung zwischen Schicht und Substrat.

• Präzise Schichtdickenkontrolle entsprechend den Anforderungen des Beschichtungszwecks.

• Sorgfältige Prozessoptimierung und -kontrolle zur Erzielung der gewünschten Beschichtungseigenschaften und Vermeidung von Problemen.

• Nukleation: Entstehung von kleinen Keimen oder Nukleationszentren auf der Substratoberfläche.

• Wachstumsmethoden: "Frank-van der Merwe"-Wachstum (glatt, kontinuierlich) und "Volmer-Weber"-Wachstum (diskrete Inseln, Agglomerate).

• Oberflächendiffusion: Atome auf der Substratoberfläche bewegen sich, suchen Bindungsstellen und beeinflussen die Schichtstruktur.

• Kristalline Strukturausbildung: Schicht kann amorph oder kristallin sein, Kristallinität beeinflusst die Eigenschaften.

• Epitaktisches Wachstum: Schicht übernimmt perfekte Kristallstruktur des Substrats.

  
  

Einfluss der Prozessparameter:

• Temperatur (Substrat)

• Druck

• Geschwindigkeit (Teilchenenergie, Beschichtungsrate, Einfallsrichtung)

• Gaszusammensetzung

• Teilchen werden auf das zu beschichtende Material beschleunigt

• atomare Stoße lösen Teilchen aus dem Target heraus

• je nach kinetischer Energie der auftreffenden Teilchen erfolgen unterschiedliche Stoßprozesse im Targetmaterial: Einzelstoße, lineare Stoßkaskaden, thermische Pulse

Sputterausbeute (Yield) Y ist abhängig von

• Energie der eintreffenden Teilchen

• Winkel alpha der eintreffenden Teilchen

• Teilchenart

• Art und Bindungsenergie des Targetmaterials

Sputtersausbeute Y = Anzahl der herausgelösten Teilchen pro einfallendem Gasteilchen

Die Energieverteilung der zerstäubten Teilchen, insbesondere der abgelösten Atome oder Moleküle aus dem Target, folgt oft einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung. Diese Verteilungsfunktion beschreibt die Energieverteilung der Teilchen in einem thermischen Gas. Für das Sputtern bedeutet dies, dass die meisten abgelösten Teilchen eine durchschnittliche Energie haben, während einige wenige Teilchen eine höhere Energie und eine geringere Anzahl eine niedrigere Energie aufweisen.

(Y steigt mit Ekin, bei kleinen Änderungen kann eine linearität angenommen werden)

Beim Dioden-Sputtern handelt es sich um eine spezielle Variante des Sputterverfahrens, bei dem eine Diode als Ionenquelle verwendet wird, um die Ionen auf das Target zu beschleunigen. Es ist ein Gleichstrom (DC)-Sputterprozess.

Ablauf des Dioden-Sputterns:

1. Das Target wird negativ geladen (Kathode) und das Substrat positiv (Anode).

2. Eine Gleichspannung wird angelegt, um eine Ionenentladung im Gas zwischen den Elektroden zu erzeugen.

3. Die Ionen werden auf das Target beschleunigt und lösen Atome oder Moleküle aus dem Target heraus.

4. Die freigesetzten Atome oder Moleküle kondensieren auf dem Substrat und bilden die Schicht.

Beim RF-Sputtern handelt es sich um eine andere Variante des Sputterverfahrens, bei dem die Ionen durch eine Hochfrequenz-Wechselspannung (RF) beschleunigt werden.

Ablauf des RF-Sputterns:

1. Ein RF-Generator wird verwendet, um eine Hochfrequenz-Wechselspannung in der Vakuumkammer zu erzeugen.

2. Das Target wird negativ gepulst (Kathode) und das Substrat positiv (Anode).

3. Die Ionen werden durch die RF-Beschleunigung auf das Target geschossen und lösen Atome oder Moleküle heraus.

4. Die freigesetzten Atome oder Moleküle kondensieren auf dem Substrat und bilden die Schicht.

Ziel: Erhöhung der Beschichtungsrate im Vergleich zum Dioden- und RF-Sputtern

-> höhere Ionisierungswahrscheinlichkeit für das Sputtergas notwendig

Beim Magnetronsputtern wird ein Magnetfeld in der Nähe der Targetoberfläche erzeugt, indem starke Permanentmagnete hinter dem Target oder Elektromagnete in der Nähe des Targets platziert werden. Das Magnetfeld bewirkt eine gekrümmte Bahn der geladenen Ionen zwischen dem Target und dem Substrat, wodurch die Ionen eine längere Strecke zurücklegen müssen, bevor sie das Target treffen. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Ionen auf das Target treffen und Atome oder Moleküle herauslösen. Dies führt zu einer erhöhten Sputterausbeute.

• deutliche geringere Sputtergasdrücke (p sg= 10^-3…10^-1 mbar)

• höhere Beschichtungsraten

• weniger Energieverlust der gesputterten Teilchen auf dem Weg vom Target zum Substrat aufgrund der geringeren Anzahl von Stößen mit Gasatomen

• unvollständige Targetausnutzung

• Targetmaterialien müssen leistfähig sein

• Reaktiver Sputterprozess führt chemische Reaktionen mit reaktivem Gas ein.

• Auswahl des reaktiven Gases entsprechend der gewünschten Schichtzusammensetzung.

  • Problem: Oxidation an Targetoberfläche -> Targetvergiftung

• Präzise Flusskontrolle des reaktiven Gases für gleichmäßige Schichtqualität.

• Targetmaterial beeinflusst die Reaktivität mit dem eingebrachten Gas.

Hysteresis im reaktiven Sputterprozess bezieht sich auf zeitliche Verzögerung oder Rückwirkung von Prozessparametern.

• Es kann zu einer Verzögerung in der Reaktion der Schichtzusammensetzung auf Änderungen des reaktiven Gases führen.

• Die Schichtqualität kann langsamer oder nicht linear auf Gasflussänderungen reagieren.

• Hysteresis kann die Prozessstabilität beeinflussen und zu unerwünschten Schwankungen in der Schichtqualität führen.

• Präzise Prozesskontrolle und Überwachung sind erforderlich, um Hysteresis zu minimieren und die gewünschte Schichtzusammensetzung zu gewährleisten.

• Durch Optimierung der Prozessparameter kann die Hysteresis reduziert und eine präzise Kontrolle des reaktiven Sputterprozesses erreicht werden.

Problem: bei reaktiven Sputterprozessen für dielektrische Beschichtung kommt es zur elektrischen Aufladung

-> Spannungsdurchbrüche, Bogenentladung (Arcs)

-> Entladung der Kathode notwendig

• keine Punktquelle wie beim Verdampfen

  -> Beschreibung der Dickenverteilung mit Überlagerung von vielen Punktquellen möglich

=> Schichtwachstum ist abhängig vom Sputtergasdruck

Die Behandlung ausgedehnter Targetgeometrien, auch als Sputtergräben bezeichnet, ist eine Herausforderung beim Sputterprozess. Sputtergräben treten auf, wenn das Target während des Sputterns nicht gleichmäßig abgetragen wird und Vertiefungen oder Gräben auf der Oberfläche des Targets entstehen. Diese Gräben können zu einer ungleichmäßigen Schichtdickenverteilung auf dem Substrat führen, da die Schichtdicke an den Stellen, die den Gräben gegenüberliegen, geringer ist.

• Target-Rotation: Rotation des Targets während des Sputterprozesses für gleichmäßigere Erosion und Reduzierung von Sputtergräben.

• Target-Ausrichtung: Präzise Ausrichtung des Targets, um Gräben nicht direkt gegenüber den zu beschichtenden Bereichen auf dem Substrat zu haben.

• Target-Material und Struktur: Optimiertes Targetmaterial und spezielle Textur, um die Bildung von Sputtergräben zu verringern.

• Puls-Magnetronsputtern: Gepulste Magnetronentladungen reduzieren den Heizeffekt und verbessern die Schichtdickenverteilung.

• Verwendung von Masken: Masken können bestimmte Substratbereiche abschirmen und eine gezielte Schichtabscheidung ermöglichen, um ungleichmäßige Dicken durch Gräben zu minimieren.

• Optimierung der Prozessparameter: Einstellung von Gasfluss, Ionenenergie, Sputterzeit und Sputterleistung für homogenere Schichtdickenverteilung und Reduzierung von Sputtergräben.

• Kombination verschiedener Ansätze: Mehrere Strategien können kombiniert werden, um das Problem der Sputtergräben effektiv zu behandeln, je nach spezifischen Anwendungsanforderungen und Targetmaterial.

1. Zielzone (Target Zone): Diese Zone befindet sich in unmittelbarer Nähe der Targetoberfläche. Hier findet die Wechselwirkung zwischen den Ionen und dem Target statt, wodurch Atome oder Moleküle aus dem Targetmaterial herausgelöst werden.

2. Übergangszone (Transition Zone): Die Übergangszone liegt zwischen der Zielzone und der Substratoberfläche. Hier erfolgt die Umwandlung der energiereichen, ionisierten Gasteilchen in neutralere Atome oder Moleküle, bevor sie auf der Substratoberfläche abgeschieden werden.

3. Substratzonen (Substrate Zone): In dieser Zone setzen sich die neutralisierten Atome oder Moleküle aus der Übergangszone auf der Substratoberfläche ab und bilden die gesputterte Schicht.

1. Schichtdicke: Die Schichtdicke wird durch die Sputterzeit und die Rate der Atombeschleunigung (Sputterrate) beeinflusst.

2. Mikrostruktur: Die Mikrostruktur der Schicht, einschließlich Kristallinität und Korngröße, kann durch die Prozessparameter und das Schichtwachstum beeinflusst werden.

3. Orientierung: Die Orientierung der kristallinen Schicht kann durch die Wechselwirkung der Ionen mit dem Target und das Schichtwachstum beeinflusst werden.

4. Dichte: Die Dichte der Schicht hängt von der Kompaktheit und Anordnung der Atome oder Moleküle während des Schichtwachstums ab.

5. Adhäsion: Die Haftung der Schicht auf dem Substrat kann durch das Schichtwachstum und die Prozessbedingungen beeinflusst werden.

6. Mikrostruktur der Grenzflächen: Die Grenzflächen zwischen der gesputterten Schicht und dem Substrat können eine spezifische Mikrostruktur haben, die durch das Schichtwachstum bestimmt wird.

• Bogenentladung = stromstarke Gasentladung (U~10 V)

• bei hohen Drücken -> Teilchen der Gasatmosphäre werden ionisiert und bilden Plasma

• im Vakuum: Gasatmosphäre muss erst durch Verdampfen erzeugt werden -> Zündung eines Startplasma (zB durch Abreißfunken, Laserpuls..)

Vereinfacht:

• Ein Target (Beschichtungsmaterial) und eine Anode werden in der Kammer platziert.

• Durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen Target und Anode entsteht ein elektrischer Lichtbogen (Plasmabogen).

• Das Target wird durch den Lichtbogen erhitzt und das Material verdampft oder wird abgetragen.

• Die verdampften Atome oder Moleküle bilden ein Plasma und setzen sich auf dem zu beschichtenden Substrat ab.

1. Targeterosion: Durch den Lichtbogen und die hohe Energie kann das Targetmaterial abgetragen werden. Dies kann zu einer Freisetzung von Partikeln aus dem Target führen.

2. Targetinhomogenitäten: Wenn das Target eine inhomogene Zusammensetzung oder Struktur hat, können sich Partikel bilden, wenn bestimmte Regionen des Targets bevorzugt verdampfen.

3. Verunreinigungen: Verunreinigungen oder Fremdmaterialien im Target können ebenfalls Partikel bilden, wenn sie verdampfen.

Um eine Abscheidung von Partikeln auf dem Substrat zu vermeiden, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

1. Targetmaterial: Die Wahl eines hochreinen Targetmaterials kann die Bildung von Partikeln durch Verunreinigungen minimieren.

2. Target-Design: Ein gleichmäßiges Target-Design und eine homogene Zusammensetzung können dazu beitragen, Partikelbildung durch inhomogene Verdampfung zu verhindern.

3. Reinigung und Vorbehandlung: Eine gründliche Reinigung des Targets und des Substrats vor dem Beschichtungsprozess kann die Anzahl der potenziellen Partikel reduzieren.

4. Kontrollierte Prozessparameter: Die genaue Steuerung der Prozessparameter wie Spannung, Strom, Entladungsdauer und Abstand zwischen Target und Substrat kann dazu beitragen, eine übermäßige Erosion des Targets und die Bildung von Partikeln zu vermeiden.

5. In-situ Überwachung: Eine in-situ Überwachung des Prozesses kann helfen, unerwünschte Abweichungen zu erkennen und rechtzeitig zu korrigieren, um Partikelbildung zu minimieren.

6. Filterung des Plasmas: Die Implementierung von Filtersystemen im Plasmabereich kann dazu beitragen, Partikel aus dem Plasma zu entfernen, bevor sie auf das Substrat gelangen.

-> Laserablation: Ein gepulster Laserstrahl wird auf das Target gerichtet. Der Laserstrahl hat eine hohe Energie und trifft auf die Oberfläche des Targets. Durch die hohe Energie des Lasers werden Atome oder Moleküle vom Targetmaterial abgelöst und in Form eines Plasmastrahls oder eines Partikelstrahls aus dem Target herausgeschleudert. Dieser Prozess wird als Laserablation bezeichnet

Abscheidung auf dem Substrat: Die abgelösten Atome oder Moleküle bilden ein Plasma oder einen Partikelstrahl, der sich auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats absetzt und eine dünne Schicht bildet.

• Optimierung der Laserablationsbedingungen

• Target-Bewegung während des Ablationsprozesses

• Substratrotation für gleichmäßigere Partikelverteilung

• Optimierung der Abstandshalter oder Masken auf dem Substrat

• Kontinuierliche Prozessüberwachung und -kontrolle

Prozessparameter für das Schichtwachstum bei PLD:

• Laserparameter: Laserwellenlänge

• Pulsdauer

• Fokusgröße am Target

• Kammermedium: Vakuum oder Inertgas mit def. Druck

Das Plasma-basierte Ionenplattieren (englisch: Plasma-based Ion Implantation, PBII) ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Materialien, bei dem Ionen in die Oberflächenschicht eines Werkstücks eingebettet werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen Ionenimplantation, bei der ein Beschleuniger verwendet wird, um Ionen in das Material einzuführen, erfolgt das Ionenplattieren in einem Plasma. Hier wird das Werkstück in das Plasma eingetaucht, und die Ionen werden durch eine elektrische Spannung aus dem Plasma auf die Oberfläche des Materials beschleunigt.

Ablauf des Plasma-basierten Ionenplattierens:

1. Target-Material: Ein Target mit dem gewünschten Beschichtungsmaterial wird in der Kammer platziert.

2. Erzeugung des Plasmas: Ein Plasma wird erzeugt, indem ein Gas (z. B. Argon) in die Vakuumkammer eingeleitet wird und durch das Anlegen einer Hochfrequenz- oder Gleichspannung ionisiert wird. Das Plasma besteht aus einer Mischung von positiven Ionen, Elektronen und neutralen Gasatomen.

3. Ionenbeschuss: Die erzeugten Ionen im Plasma werden auf das Target gerichtet. Dieser Ionenbeschuss bewirkt, dass Atome oder Moleküle vom Targetmaterial abgelöst werden (Sputtern). Die abgelösten Atome oder Moleküle bilden ein Plasma aus verdampften Teilchen.

4. Beschleunigung auf das Substrat: Gleichzeitig wird das Substrat, das beschichtet werden soll, negativ geladen, um die Anziehung der abgelösten Teilchen zu fördern. Die verdampften Teilchen aus dem Plasma werden dann durch die Beschleunigung auf das Substrat abgeschieden und bilden eine dünne Schicht.

5. Ionische Oberflächenbehandlung: Die Ionen im Plasma können auch eine ionische Oberflächenbehandlung des Substrats bewirken, die die Adhäsion und Dichte der abgeschiedenen Schicht verbessert und Oberflächendefekte reduziert.

   
   

• Reinigung von OF

• Verbesserung des Schichtmaterials

• Verdichtung des Schichtmaterials

• Verringerung der Schichtrauheit

• Aktivierung von chemischen Reaktionen

• Veränderung des Eigenspannungszustandes der Schichten

• Substrat elek. neutral und geerdet

• separate Ionenquelle, die auf Substrat-OF gerichtet ist

• häufig Neutralisierung der Ionen nach der Beschleunigung , um ein Aufspalten des Ionenstrahls und Aufladungen am Substrat zu verhindern

• Ionenbeschuss vor der Beschichtung

  • Sputter-Abtrag an der Substrat-OF -> Reinigung; Aktivierung der OF

• Beschuss während der Nukleationsphase

• Beschuss während der Grenzschichtausbildung

• Beschuss während Schichtwachstum

• Beschuss mir Reaktivgas

Die Hohlkathodenbogen-Beschichtung (auch als Hohlkathodenentladung oder Hollow Cathode Discharge, HCD, bezeichnet) ist ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung, das auf dem Einsatz einer Hohlkathodenentladung basiert. Es ist ein Niedrigdruckplasma-Beschichtungsverfahren, das typischerweise in einer Vakuumkammer durchgeführt wird. Hier ist eine Erläuterung des Verfahrens:

1. Hohlkathodenentladung: Eine Hohlkathodenentladung ist eine spezielle Art von Entladung, die in einer Hohlkathode stattfindet. Die Hohlkathode ist ein hohler metallischer Zylinder, der mit einem Inertgas (z. B. Argon) gefüllt ist. An den Enden der Hohlkathode befinden sich Kathodenplatten, die negativ geladen sind.

2. Inertgas und Prozessgas: In die Vakuumkammer wird ein Inertgas (Argon) eingeleitet, das als Trägergas dient. Es wird auch ein Prozessgas oder ein Gemisch aus Prozessgasen eingeführt, das das Material enthält, das auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden werden soll.

3. Zündung des Entladungsplasmas: Wenn eine Hochspannung an die Kathodenplatten angelegt wird, entsteht eine elektrische Entladung innerhalb der Hohlkathode, wodurch das Inertgas ionisiert wird und ein Plasma entsteht.

4. Bogenentladung und Materialverdampfung: Die elektrische Entladung führt zu einer Bogenentladung im Plasma, wodurch Materialatome oder Moleküle vom Targetmaterial (das sich in der Hohlkathode befindet) verdampfen oder ionisiert werden.

5. Abscheidung auf dem Substrat: Die verdampften Materialatome oder -moleküle setzen sich auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats ab und bilden eine dünne Schicht.

• Verschleißfestigkeit erhöhen

• Korrosionsschutz bieten

• Erzeugung von optischen Schichten mit spezifischen Eigenschaften

• Herstellung von dekorativen Beschichtungen

• Verbesserung der Adhäsion und Haftung der Schichten

• Materialeffizienz durch Beschichtung mit verschiedenen Materialien

• Homogene Schichtdicke und gleichmäßige Schichtstruktur gewährleisten

• Anpassung der Schichteigenschaften an spezifische Anwendungen und Anforderungen