F&E-Magnetron-Sputterquellen im Überblick

Einführung und Bibliografie

Wir untersuchen Herstellungsmethoden für Dünnschichten und Depositionsquellen in Vakuumsystemen. Es folgt eine kurze Einführung in die Mechanik und Physik des Sputterns und thermischen Verdampfungsquellen.

Für diejenigen von Ihnen, die sich für mehr Details interessieren, enthält die folgende Liste einige gute Informationsquellen. Das Thema ist so umfangreich, dass diese Bücher sich im Inhalt kaum überschneiden. Und trotz ihres Alters sind die ersten beiden immer noch häufig zitierte Literatur. (Angesichts der kurzen „Lebensdauer“ technischer Fachbücher sind nur wenige von diesen noch im Druck).

• Handbook of Thin Film Technology, Maissel & Glang, McGraw Hill 1970, Lib. of Congress Card No. 73-79497
• Thin Film Processes, Vossen & Kern, Academic Press, Inc. 1978, ISBN 0-12-728250-5
• Thin Film Processes 2, Vossen & Kern, Academic Press, Inc. 1991, ISBN 0-12-728251-3
• Handbook of Sputter Deposition Technology, Wasa & Hayakawa, Noyes Publications 1992, ISBN 0-8155-1280-5
• The Materials Science of Thin Films, Ohring, Academic Press 1992, ISBN 0-12-524990-X
• Thin-Film Deposition: Principles & Practice, Smith, McGraw Hill 1995, ISBN 0-07-058502-4
• Handbook of Thin Film Process Technology, ed. Glocker et. al., Institute of Physics Publishing 1995 ISBN 0-7507-0311-5
• Physical Vapor Deposition of Thin Films, Mahan, Wiley Interscience 2000, ISBN 0-471-33001-9
• Sputter Deposition, Westwood, AVS 2003

---

Sputtern

Was ist Sputtern?

Sputterdeposition, gemeinhin als Sputtern bezeichnet, entfernt Atome/Moleküle aus der Oberfläche eines festen Targets und versetzt diese in die Gasphase, aus der sie dann an einer weiteren Oberfläche kondensieren. Im einfachsten Aufbau wird Hochspannung zwischen zwei runden, planparallelen Scheiben angelegt: ein Target (Kathode) und ein Substrat (Anode), die einige Zoll voneinander entfernt montiert sind. Ein inertes Prozessgas mit einem Druck zwischen 1 und 100 mTorr fließt zwischen den Elektroden. Erste Elektronen von der Targetoberfläche erzeugen eine Ionisierungskaskade im Gas, wodurch ein Plasma erzeugt wird, das grob gesagt als begrenzter Bereich mit gleichen Konzentrationen von Elektronen und positiven Ionen definierbar ist.

Da das Plasma sowohl elektrisch neutral als auch höchst leitfähig ist, findet nur ein geringer Spannungsabfall hierüber statt. Der Spannungsabfall findet über dünne, sich jeweils zwischen dem Plasma und beiden Elektroden befindliche Bereiche statt, dem sog. Dunkelraum. Das Minuspotenzial des Targets zieht positive Ionen vom Rand des Plasmas an. Sie treffen mit ausreichend kinetischer Energie auf das Target auf, um durch Energieübertragung neutrale Targetatome/-moleküle hinauszuschleudern.

Auf seinem Weg vom Target zum Substrat kollidiert jedes herausgeschleuderte Atom mit zahlreichen Gasatomen/-molekülen, von denen es abgelenkt wird und dabei einen Energieverlust erfährt. Durch Optimierung des Abstands zwischen Target und Substrat nähern sich die Atome der Substratoberfläche aus teilweise randomisierten Richtungen, was eine ausreichend homogene Schichtdicke über eine texturierte Substratoberfläche erzeugt.

Für kreisförmige Quellen ist der optimale Abstand zwischen Target und Oberfläche größer als der Targetdurchmesser. Dies gleicht das ringähnliche Depositionsmuster der Quelle aus. Im Gegensatz dazu hat eine lineare Quelle zur Beschichtung großflächiger Substrate, die über sie hinweglaufen, einen kleinen Optimalabstand. Hier wird die Homogenität durch die Endeffekte der Linearquelle gestört.

Sputterquellen

Die Unterschiede bei verschiedenen Sputterquellen bezüglich Dioden, Magnetron, gesteuert/ungesteuert. RF-/Gleichstromoptionen, etc. werden in der Rubrik Vakuumsysteme besprochen.

Die Vakuumkompatibilität einer Quelle hängt von deren speziellen Auslegung ab, aber alle eignen sich für den Bereich zwischen 10^-6 Torr bis 10^-7-Torr-Bereich. Einige echte UHV-Versionen sind kompatibel mit 10^-10 Torr und ausheizbar bis 400 °C (nach Entfernung der Magnete atmosphärenseitig). Letztere Gruppe wird eingesetzt, wenn die Prozesskammer vor der Befüllung mit Prozessgas UHV-Bedingungen (zu Reinheitszwecken) erfüllen muss.

In F&E-Anwendungen werden Quellen oft an bestehenden Kammern angebracht, und die geeignetste Quellenmontage bestimmt sich dann durch die Position des Montageports für die Quelle und die Position des Substrathalters: (i) Bei der axialen Quelle verläuft die Targetoberfläche senkrecht zu ihren Versorgungsleitungen, (ii) bei der rechtwinkligen Quelle liegt die Targetoberfläche parallel zu den Versorgungsleitungen und (iii) in der flexiblen Variante sind Quelle und Zuleitung durch einen flexiblen Metallschlauch verbunden, der Neigungswinkel zwischen 0° und 45° zulässt.

Weiterhin ist bei F&E-Anwendungen das Ändern der Schichtzusammensetzung zu berücksichtigen. Für simultane oder sequenzielle Deposition unterschiedlicher Werkstoffe und schnelle Wechsel der Schichtzusammensetzung kann ein auf einem Flansch montiertes Cluster von 3 oder 4 Sputterquellen mit aufgesetztem Schild zum Schutz vor gegenseitiger Kontaminierung, Blenden und Gasversorgungsleitungen einen idealen Aufbau darstellen.

Dies impliziert dickere Targets, die wiederum richtig geformte Magnetfelder zur Durchdringung dieser Targets erfordern. Eine weitere geläufige Anwendung in der Produktion ist das Abscheiden von Schichten auf großen, rechtwinkligen Substraten. Dies wird mithilfe von linearen Sputterquellen (länger als die Breite des Substrats) angegangen, wobei dann das Substrat beim Sputtern über die Quelle hinweg bewegt wird.

Sputter-Targets

Der Großteil der ins Plasma eintretenden elektrischen Energie verwandelt sich im Target in thermische Energie. Wasser fließt durch die Quelle und kühlt das Target direkt oder indirekt. Bei direkter Kühlung fließt Wasser über die Vakuum-abgewandte Seite des Targets. Offensichtlich muss das Target folgende Eigenschaften haben: (a) eine ausreichende Dicke, um sicherzustellen, dass die Sputterätzung die Integrität des Vakuums nicht gefährdet und (b) es darf nicht mit Wasser reagieren. Aus diesen Gründen wird direkte Kühlung oft in großen Produktions-Quellen verwendet, wo dicke, nicht-reaktive Targets üblich sind. Zur indirekten Kühlung wird das auf der Vakuum-abgewandten Seite befindliche Kühlgefäß der Quelle mit Wasser gekühlt - eine Art Kupferbecher, in dem das Target festgeklemmt wird. Indirekte Kühlung wird bei kleinen Produktionsquellen und bei F&E-Sputterquellen eingesetzt. Indirekt gekühlte Targets werden nicht mit der Kühlung gebondet, weil dies einen Wechsel erschwert. Schlechter thermischer Kontakt zwischen Kühlung und Target ist jedoch Ursache für erhebliche Probleme. Insbesondere beim Sputtern von Targets mit niedriger thermischer Leitfähigkeit (Oxiden, Nitriden, Glas- und Keramikwerkstoffen) führt schlechte Wärmeübertragung zu: (a) Spannungsrissen im Target aufgrund von Wärmeausdehnung oder (b) Aufschmelzen des Indium-Bondings zwischen Target und Trägerplatte.

Um das Auftreten dieser Probleme zu reduzieren, werden zwei Methoden verwendet: (a) zwischen Target und Kühlung wird ein wärmeleitfähiges Polymertuch oder silberimprägnierte Paste aufgebracht, und (b) die Leistung wird nur in einer Serie von langsamen Rampen angelegt bzw. abgeschaltet. In der Praxis bedeutet dies, dass die Leistung langsam von 0 bis auf 20 % des vollen gewünschten Sputterstroms angehoben wird. Das Target kann dann einige Minuten lang bei dieser Leistung verharren, bevor ein weiteres Anheben folgt. Dieses Anheben und Senken der Leistung ist eine gute Methode sowohl bei Sputter- als auch Verdampfungsanwendungen.

Targets sind immer entsprechend der Quellen geformt für die sie bestimmt sind. Es wird eine Vielzahl von unterschiedlichen runden, linearen, zylindrischen, keilförmigen, elliptischen, stumpfkegeligen und sonstigen Formen verwendet.

Stärken des Sputterns

• Die kinetische Energie der deponierten Atome/Moleküle beträgt normalerweise ein paar eV, was zu guter Schichthaftung auf geeigneten Substraten führt.
• Sputtern erfordert kein Schmelzen.
• Sputtermaterialien „spucken“ nur selten Klümpchen auf das Substrat.
• Die Quelle kann in beliebiger Ausrichtung montiert werden.
• Obwohl Plasmaelektronen „heiß“ sind, ist dies bei anderen Spezies des Plasmas nicht der Fall, und es kommt nur zu wenig Wärmeübertrag durch Strahlung an das Substrat.
• Die Bedeckung der Oberfläche entspricht nicht genau der Sichtlinie.
• Mischungen von Elementen, Legierungen und einige chemische Zusammensetzungen können ohne Änderung der stöchiometrischen Eigenschaften gesputtert werden.
• Reaktives Sputtern (Ar unter Beifügung von O2 oder N2) findet häufig Anwendung. Es vermeidet insbesondere die mit dem Sputtern von Targets mit geringer Wärmeleitfähigkeit verbundenen Probleme.
• Mit linearen Quellen werden großflächige Substrate mit Metallen und anorganischen Werkstoffen beschichtet.

---

Verdampfung

Was ist Verdampfung?

Wie in der Rubrik Systeme angemerkt, ist Verdampfen streng genommen die Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf, während die Umwandlung eines Feststoffs in Dampf als Sublimation bezeichnet wird. Aber dem allgemeinen Gebrauch folgend werden beide Prozesse hier Verdampfung genannt.

Verdampferquellen

In den Technischen Notizen zu Abschnitt 9 und 15 werden verschiedene Verdampferquellen beschrieben. In diesen Abschnitten nicht erwähnte Quellen sowie Quellenkombinationen für simultane oder sequenzielle Deposition werden hier beschrieben.

Thermische Quellen: Wie in Abschnitt 15 der Technischen Notizen ausgeführt, ergeben sich aus Legierungen und Mischungen selten Schichten, die den stöchiometrischen Eigenschaften des Ursprungsmaterials entsprechen. Das erfolgreiche Abscheiden von Legierungen erfordert die gleichzeitige Deposition aus einer Anzahl in nächster Nähe zueinander befindlicher thermischer Quellen. Mehrere Quellen können als Cluster auf einem Flansch montiert werden.

Effusionszellen: Die Verdampfungstemperaturen organischer Werkstoffe sind niedrig – normalerweise viel weniger als 500 °C – und die Verdampfungsrate reagiert außergewöhnlich empfindlich auf die Werkstofftemperatur. Zum Erreichen einer zufriedenstellenden Dünnschichtdeposition ist eine strikte Temperaturkontrolle erforderlich. Niedertemperatur-Effusionszellen, die speziell zur Deposition von organischen Dünnschichten ausgelegt sind, werden häufig für simultane und sequenzielle Depositionsanwendungen eingesetzt. Zur Befriedigung dieses Bedarfs wurden Kombinationen entwickelt, von denen einige bis zu 10 auf einen einzigen Flansch montierte Quellen haben.

Elektronenstrahl-Quellen: Ihre physische Größe allein macht den Einbau von mehr als zwei Elektronenstrahl-Quellen in einer Kammer unwahrscheinlich. Multi-Pocket-Quellen können jedoch für sequenzielles Verdampfen eingesetzt werden, und die Kombination aus einer Elektronenstrahl-Quelle mit mehreren thermischen Quellen wird üblicherweise für simultane oder sequenzielle Deposition verwendet.

Lineare Verdampfungsquellen: Der anhaltende Fokus auf optisch aktive und elektrisch leitende organische Materialien für die Display-Technik belegt einen Bedarf für eine Quelle, die große Substratflächen mit höchst homogener Beschichtung abdecken kann. Unsere (patentierte) lineare Quelle beschichtet bis zu 600 mm breite Substrate beliebiger Länge. Da die Grundfläche dieser Quelle nur 3" breit ist, können mehrere Quellen seitlich nebeneinander in einem Inline-System zur sequenziellen Deposition organischer Werkstoffe montiert werden.

Stärken der Verdampfung

• Die Gerätekosten für die thermische Verdampfung sind normalerweise niedrig.
• Der mechanische Aufbau ist oft einfach, und es gibt wenige Beschränkungen.
• Der Materialnutzungsgrad ist hoch, und das Nachfüllen ist einfach. (Bei RF-Induktionsquellen ist letzteres beim Betrieb automatisch.)
• Elektronenstrahl- und RF-Induktionsverdampfer liefern hohe Depositionsraten.
• Für F&E-Anwendungen ist thermische Verdampfung besonders flexibel.
• Organische Werkstoffe können nur durch Verdampfung abgeschieden werden.
• Lineare Quellen beschichten großflächige Substrate mit organischen Werkstoffen sowie anorganischen Werkstoffen mit hohem Dampfdruck.

---

Ionenbeschuss

Was ist Ionenbeschuss?

Ionenbeschuss wird auf drei Arten zur Oberflächenmodifizierung und Dünnschichtdeposition verwendet:

Substratreinigung. Der Beschuss des Substrats mit hochenergetischen, inerten Gasionen ist eine gute Methode zum Entfernen von fest adsorbierten Gasen und Dämpfen. Dies wird häufig direkt vor der Deposition eingesetzt.

Oberflächenmodifizierung. Für einige Substrate, insbesondere Kunststoffe, wird Ionenbeschuss dazu eingesetzt, das Substrat zu „modifizieren“. D.h., es werden nicht nur anhaftende Atome/Moleküle entfernt wie bei der Substratreinigung, sondern die Oberflächenmorphologie wird auf eine Weise geändert, welche die Adhäsion einer jeglichen Schicht erhöht, die sofort darauf deponiert wird.

Morphologische Auswirkungen. Eine mithilfe eines PVD- oder CVD-Verfahrens deponierte Schicht kann eine Schichtmorphologie besitzen, die säulenartig, körnig ist, mit vielen Hohlräumen, und eine niedrigere Dichte besitzt als der kristalline Werkstoff. Zur Verdichtung der Schicht wird diese während der Deposition mit Prozessgasionen beschossen, was man ionengestützte Deposition nennt. Beim Sputtern kann eine unausgeglichene Quelle etwas Ionenbeschuss des Substrats bieten, und für CVD-Methoden schaffen die „plasmagestützten“ Versionen ähnliche Beschussbedingungen. Wenn die jeweilige Technik jedoch nicht dazu adaptiert werden kann, diesen Beschuss zu liefern, werden separate Ionenquellen verwendet.

---

Anwendungen von Sputtern und Verdampfung

Es folgt eine kleine Auswahl an Produkten, die mithilfe verschiedener Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Sie sind grob nach der Hauptgruppe ihrer Benutzer geordnet.

Ionenquellen

In diesem Zusammenhang leitet eine Ionenquelle einen breiten, gleichmäßigen Ionenstrom zur Depositionsschicht. Die Energie wird so gewählt, dass es zwischen dem einfallenden Ion und den Atomen der Schicht zum Energieaustausch kommt, sodass die Atome sich ohne Sputtern bewegen.

Einige Ionenquellen erzeugen Ionen mittels Glühemission. Dadurch sind sie jedoch nur eingeschränkt für Edelgase nutzbar. Zudem können sie von reaktiven Stoffen aus der Kammer negativ beeinflusst werden.

Andere Ionenquellen haben keine Filamente und erzeugen Ionen aus Edelgasen und reaktiven Gasen. Dies ist besonders hilfreich, wenn für die Modifizierung von Oberflächen die Oxid- oder Nitridbildung erforderlich ist.

Contact us by clicking here to discuss your specific vacuum application and process equipment needs.