Sputtern

Das Sputtern oder auf deutsch Kathodenzerstäubung ist ein physikalischer Vorgang bei dem Atome aus einem Festkörper (Target) durch Beschuss mit energiereichen Ionen (vorwiegend Edelgasionen) herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen.

Unter dem Begriff Sputtern wird meistens nur die Sputterdeposition, eine zur Gruppe der PVD-Verfahren gehörende hochvakuumbasierte Beschichtungstechnik, verstanden. Sputtern ist aber auch eine Analysemethode (siehe unten).

Grundlagen des Sputterprozesses

Beim Beschuss einer Oberfläche mit Ionen können, abhängig von den verwendeten Ionen und ihrer kinetischen Energie, verschiedene Effekte auftreten:

Es wird Material von dem bombardierten Target (Kathode) abgetragen. Dies wird auch als Sputtern (engl. to sputter = zerstäuben), oder zu deutsch Kathodenzerstäubung, bezeichnet.
Die Ionen werden in das Targetmaterial eingebaut und gehen dort gegebenenfalls eine chemische Verbindung ein. Dieser Effekt wird dann (reaktive) Ionenimplantation genannt.
Die Ionen kondensieren auf dem beschossen Substrat, und bilden dort eine Schicht (Ionenstrahldeposition).

Ist ein Materialabtrag beabsichtigt, müssen die Ionen eine gewisse Mindestenergie besitzen. Das auftreffende Ion überträgt seinen Impuls auf Atome des beschossenen Materials (Target), die dann - ähnlich wie beim Billard - weitere Kollisionen auslösen (Stoßkaskade). Nach mehreren Kollisionen hat ein Teil der Targetatome einen Impuls, der vom Targetinneren fortweist. Ist ein solches Atom genügend nahe der Oberfläche, und hat es eine hinreichend hohe Energie, verlässt es das Target.

Die Sputterausbeute hängt dabei im wesentlichen von kinetischer Energie und Masse der Ionen sowie von der Bindungsenergie der Oberflächenatome und deren Masse ab. Um ein Atom aus dem Target herauszuschlagen, müssen die Ionen eine materialabhängige Mindestenergie (typ. 30-50 eV) aufbringen. Oberhalb dieser Schwelle nimmt die Ausbeute zu. Der zunächst starke Anstieg verflacht aber rasch, da bei hohen Ionenenergien diese Energie immer tiefer im Target deponiert wird und damit kaum noch die Oberfläche erreicht. Das Verhältnis der Massen von Ion und Targetatom bestimmt den möglichen Impulsübertrag. Für leichte Targetatome wird ein Maximum der Ausbeute erzielt, wenn Masse von Target und Ion annähernd übereinstimmen; mit zunehmender Masse der Targetatome verschiebt sich das Maximum der Ausbeute jedoch zu immer höheren Masseverhältnissen zwischen Ion und Targetatom.

Der Ionenbeschuss erzeugt nicht nur neutrale Atome, sondern auch Sekundärelektronen sowie in geringerem Umfang Sekundärionen und Cluster verschiedener Masse (Sekundärionen-Massenspektroskopie). Die Energieverteilung der gelösten Atome hat ein Maximum bei der halben Oberflächenbindungsenergie (einige eV), fällt aber zu hohen Energien nur langsam ab, so dass die mittlere Energie häufig eine Größenordnung darüber liegt. Ausgenutzt wird dieser Effekt in Analysemethoden der Oberflächenphysik und Dünnschichttechnologie, sowie zur Herstellung dünner Schichten (Sputterdeposition).

Sputterdeposition

Bei der Sputterdeposition wird in die Nähe des Targets ein Substrat gebracht, so dass die herausgeschlagenen Atome auf diesem kondensieren und eine Schicht bilden können. Der Druck in der Anlage muss dabei so gering sein, dass die Targetatome das Substrat auch erreichen. Aufgrund seiner großen technischen Bedeutung wird mit dem Begriff Sputtern häufig auch dieses Depositionsverfahren bezeichnet.

Als Ionenquelle dient hierbei in den meisten Anwendungen eine Gleichstrom-Gasentladung (DC-Sputtern). Wenn zusätzlich unter dem Target ein Magnet angebracht ist, spricht man von Magnetronzerstäubung. In dieser Konfiguration können alle leitfähigen Materialien deponiert werden. Es tritt keine Entmischung von Legierungen auf, was beispielsweise beim thermischen Verdampfen auftreten kann. Auch ist die Haftung der Schichten meist besser als bei aufgedampften, und es können große Flächen, z. B. Architekturglas, homogen beschichtet werden. Für diese Anwendung werden Magnetron-Kathoden mit einer Länge von 3,5 m eingesetzt. Auch werden so integrierte Schaltkreise auf Wafern metallisiert. Bei diesen Applikationen werden normalerweise möglichst reine Metallschichten gewünscht. Daher werden in diesen Fällen hochreine Edelgase eingesetzt, um eine Oxidation der Schichten zu vermeiden. Dies ist in der Regel Argon.

Die Beschichtung von Architekturverglasungen oder Absorbern bei thermischen Sonnenkollektoren bestehen aus Schichtsystemen, bei denen auch transparente und teilabsorbierende Materialien, die häufig nicht oder nicht hinreichend elektrisch leitend sind, zum Einsatz kommen. Hier kann dem Inertgas (Argon) gezielt ein Reaktivgas (meist Stickstoff oder Sauerstoff) hinzugefügt werden, um entsprechende Verbindungen zu deponieren. In diesem Fall spricht man von reaktiven Sputtern.

Andere Nichtleiter, bei denen auch reaktive Sputterdeposition nicht möglich oder praktikabel ist, können meist mit Hochfrequenz- oder Ionenstrahlsputtern deponiert werden; allerdings geht hierbei der Vorteil der großflächigen Homogenität zum großen Teil verloren.

Varianten

DC-Dioden-Sputtern

Mit einer Gleichspannung U_B = 500 - 1.000 V wird ein Argonplasma zwischen einem Target und einem Substrat gezündet. Positive Argonionen schlagen aus dem Target Atome heraus (Sputterprozesses), die dann zum Substrat wandern und dort kondensieren (Sputterdeposition).

Nachteile:

es lassen sich nur elektrische Leiter (Metalle) sputtern, da sich sonst ein Gegenfeld aufbaut und der Sputterprozess stoppt
man erreicht nur geringe Sputterraten, da nur wenige Argonionen entstehen

DC-Trioden-Sputtern

HF-Sputtern

Beim Hochfrequenzsputtern (kurz HF-Sputtern, engl. radio frequency sputtering) wird statt des elektrischen Gleichfeldes ein hochfrequentes Wechselfeld angelegt. Die dafür notwendige Hochfrequenzspannungsquelle wird in Reihe mit einem Kondensator und dem Plasma geschaltet. Der Kondensator dient dazu den Gleichspannungsanteil und das Plasma elektrisch neutral zu halten.

Durch das Wechselfeld werden die Ionen (meist Argonionen) und die Elektronen abwechselnd in beide Richtungen beschleunigt. Ab einer Frequenz von ungefähr 50 kHz können die Ionen aufgrund ihres deutlich schlechteren Ladung-zu-Masse-Verhältnisses dem Wechselfeld nicht mehr folgen.

Die Elektronen oszilieren im Gebiet des Plasmas und es kommt vermehrt zu Stößen mit Argonatomen. Dies bewirkt eine hohe Plasmarate, eine Folge davon ist die mögliche Drucksenkung auf 1 - 20 mTorr (etwa 10^-1 - 10^-2 Pa) bei gleicher Sputterrate. Dies ermöglicht Herstellung von dünnen Schichten mit einer anderen Gefügestruktur als dies bei höheren Drücken möglich wäre.

Die Ionen können wie gesagt dem elektrischen Wechselfeld nicht mehr folgen. Sie bewegen sich durch eine überlagerte negative Offsetspannung am Target in Richtung des Targets und lösen dort wie beim DC-Sputtern durch Stöße Atome aus dem Targetmaterial. Die anschließende Sputterdeposition entspricht denen andere Sputterverfahren (siehe oben).

Vorteile:

Auch Isolatoren (z. B. Aluminiumoxid oder Bornitrid) und Halbleiter sputterbar
Substrat heizt nur gering auf
Durch die oszilierenden Elektronen ist die Sputterrate etwa 10mal höher als beim DC bei gleichem Kammerdruck.

Magnetronsputtern

Während bei der einfachen Kathodenzerstäubung lediglich ein elektrisches Feld angelegt wird, zwingt bei der Magnetronzerstäubung ein zusätzliches magnetisches Feld die aus dem Target (Kathode) herausgelösten Sekundärelektronen durch die Lorentzkraft auf Zykloidenbahnen. Durch die effektiv längeren Teilchenbahnen stehen diese dem Plasma länger für Ionisierungsprozesse zur Verfügung.

Das effektiv höhere Ionisierungsvermögen der Elektronen führt zu einer Erhöhung der Edelgasionen und somit auch der Sputterrate. Da mehr Targetmaterial zerstäubt wird führt dies zu deutlich höheren Beschichtungsraten bei gleichem Prozeßdruck. Da das Schichtwachstum und somit die Schichteigenschaften neben der Temperatur vor allem vom Prozessdruck abhängig ist, kann man bei gleichen Wachstumsraten den Prozessdruck im Vergleich zum normalen Kathodenzerstäuben um etwa eine Größenordnung senken. Das führt zu weniger Streuung des Materials auf dem Weg zum Substrat und zu einer dichteren (weniger porösen) Schicht.

Magnetronsputtern ist in der Mikroelektronik das meisteingesetzte Verfahren zum Erzeugen von Metallschichten.

Reaktives Sputtern

Dem Arbeitsgas (Ar) wird Reaktionsgas (z. B. Sauerstoff oder Stickstoff) zugesetzt. Dabei entstehen wie beim Arbeitsgas Ionen des Reaktionsgases, diese reagieren mit den gesputterten Schichtatome in der Vakuumkammer. Die entstandenen Reaktionsprodukte scheiden sich anschließend an der Substratoberfläche ab.

Bsp: Al (Target) + O₂ --> Al₂O₃ (Schicht)

Reaktives Sputtern gibt es als DC- und HF-Variante.