Dünnschichtdepositionsverfahren & -möglichkeiten

Die Grundkonfiguration umfasst in der Regel eine Elektronenstrahlquelle, einen Herd/Tasche und eine obere Abdeckung sowie Zubehördurchführungen und entsprechend dimensionierte Netzteile. Die Verdampfung kann direkt aus der Tasche heraus oder mit einem Tiegeleinsatz/Liner erfolgen, je nach gewünschtem Aufdampfmaterial.

Aufgrund der Fähigkeit, die Depositionsrate gut kontrollieren zu können, der geringen Kontamination, der ausgezeichneten Materialausnutzung und der sehr hohen Depositionsraten, ist die Elektronenstrahlverdampfung eine sehr anpassungsfähige Technik, die in vielen Dünnschichtdepositionsanwendungen eingesetzt wird.

Ähnlich wie bei anderen Techniken wird der Kammerdruck auf ein möglichst niedriges Niveau gebracht, um eine chemische Reaktion der Hintergrundgase mit dem Film oder dem Ausgangsmaterial zu verhindern. Unter sorgfältig kontrollierten Partialdrücken reaktiver Gase kann die reaktive thermische Verdampfung Filme mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als der des Ausgangsmaterials erzeugen.

Die Grundausstattung umfasst in der Regel eine Schiffchen-, Filament- oder Tiegelquelle mit Zubehördurchführungen (ggf. wassergekühlt), Kreuzkontaminationsschilde, Shutter und entsprechend dimensionierte Netzteile.

Zwischen dem Targetmaterial (Kathode) und dem zu beschichtenden Substrat (Anode) wird eine Spannung angelegt. Erste Elektronen von der Oberfläche des Targets bewirken eine Kaskadenionisation im gewählten Prozessgas und damit die Bildung von Plasma. Sputterquellen sind mit Vakuumniveaus von wenigen mTorr bis UHV kompatibel und werden in vielen Formen und Größen angeboten, von kleinen 1" runden F&E-Kathoden bis hin zu großen planaren Produktionskathoden.

Da das Plasma sowohl elektrisch neutral als auch höchst leitfähig ist, findet nur ein geringer Spannungsabfall hierüber statt. Der Spannungsabfall erfolgt über dünne Dunkelraum-Bereiche (Bereiche zwischen dem Plasma und jeder Elektrode). Das negative Potential des Targets zieht positive Ionen vom Rand des Plasmas an, die wiederum das Target mit ausreichender kinetischer Energie treffen, um neutrale Zielatome bzw. -moleküle durch Energietransfer auszustoßen. 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 die Optimierung des Abstandes zwischen Target und Substrat nähern sich die Atome der Oberfläche des Substrats aus teilweise zufälligen Richtungen und erzeugen eine gleichmäßige Schichtdicke über die Oberfläche eines strukturierten Substrats.

Bei runden Quellen ist der optimale Wurfabstand zwischen Target und Substrat größer als der Durchmesser des Targets, um das ringförmige Abscheidungsmuster der Quelle zu „glätten“. Im Gegensatz dazu hat eine lineare Produktionsquelle für die Beschichtung von großflächigen Substraten, die sich über sie hinweg bewegen, eine wesentlich kürzere optimale Wurfweite.

Ähnlich wie bei anderen Techniken wird der Kammerdruck auf ein möglichst niedriges Niveau gebracht, um eine chemische Reaktion der Hintergrundgase mit dem Film oder Sputtertarget zu verhindern. Unter sorgfältig kontrollierten Partialdrücken reaktiver Gase kann das reaktive Sputtern Filme mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als der des Ausgangsmaterials erzeugen.

Die Grundkonfiguration umfasst in der Regel: eine TORUS®-Sputterquelle mit einem Target aus dem gewünschten Beschichtungsmaterial; Shutter; Depositionskamin und/oder Gaszufuhr; und entsprechend dimensionierte Gleichspannungs-, gepulste Gleichspannungs- oder RF-Netzteile.

Die Verdampfungstemperaturen organischer Materialien sind im Vergleich zu denen der meisten Metalle niedrig, in der Regel weit unter 500 °C, und die Verdampfungsrate ist außergewöhnlich empfindlich gegenüber der Temperatur des Materials. Zum Erreichen einer zufriedenstellenden Dünnschichtdeposition ist eine strikte Temperaturkontrolle erforderlich. Zu diesem Zweck werden speziell für die Deposition organischer Dünnschichten entwickelte Niedertemperaturverdampfungsquellen häufig in sequentiellen und Co-Depositionsanwendungen eingesetzt.

Ähnlich wie bei anderen Techniken wird der Kammerdruck auf ein möglichst niedriges Niveau gebracht, um eine chemische Reaktion der Hintergrundgase mit dem Film oder dem Ausgangsmaterial zu verhindern. Unter sorgfältig kontrollierten Partialdrücken reaktiver Gase kann die reaktive thermische Verdampfung Filme mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als der des Ausgangsmaterials erzeugen.

Die Verwendung einer Glovebox zur Kontrolle der Umgebungsatmosphäre beim Be- und Entladen von organischen Verdampfern ist ein sehr nützliches Werkzeug für diese Technik. Organische Verbindungen sind in der Regel unter atmosphärischen Bedingungen und bei Raumtemperatur flüchtig und reaktiv. Die Glovebox-Integration ermöglicht die Schaffung einer inerten Umgebung, um die nativen Eigenschaften des Verdampferguts zu erhalten und zu kontrollieren.

Die Grundausstattung umfasst in der Regel eine Punktquelle mit Zubehördurchführungen, Kreuzkontaminationsschilden, Shuttern und entsprechend dimensionierten Netzteilen und PID-Reglern.

Bei jedem Pulsschritt ergeben chemische Reaktionen zwischen Precursormolekülen und aktiven Oberflächensubstanzen neue Oberflächensubstanzen, die die Oberfläche passivieren. Sobald die Oberfläche vollständig passiviert ist, sind die Reaktionen abgeschlossen und führen zur Bildung einer begrenzten Anzahl neuer Oberflächensubstanzen. Die Homogenität hängt in erster Linie von der Verteilung der aktiven Oberflächensubstanzen/-stellen und dem Abschluss der Oberflächenreaktionen bei jedem Precursorpulsschritt ab. Anschließend werden die verbleibenden Precursor und/oder Reaktionsnebenprodukte für den nächsten Pulsschritt gespült. Ein kompletter Zyklus ist erforderlich, um das gewünschte Material zu erzeugen. Jeder Zyklus scheidet eine ganz bestimmte Menge an Material auf der Substratoberfläche ab und wird wiederholt, bis die gewünschte Menge an Material erreicht ist, was eine sehr genaue Kontrolle der Schichtdicke ermöglicht.

Thermische Verfahren sind abhängig von der Substratheizung, wobei der Bereich der Prozesstemperaturen, der zu einem idealen Wachstum führt, als „ALD-Fenster“ bezeichnet wird. Ideales Wachstum ist gekennzeichnet durch eine chemische Adsorption von Oberflächensubstanzen, die irreversibel, selbstlimitierend und vollständig ist. Außerhalb des ALD-Temperaturfensters wird das Wachstum ungünstig.

Plasma-verstärkte ALD-Methoden (PEALD) nutzen reaktive Plasmasubstanzen als Precursor für ALD-Oberflächenreaktionen. Typische Plasmagase sind O2, N2 und H2. Zu den Vorteilen von PEALD gehören eine geringere Temperaturbeständigkeit sowie neue Wege für chemische Reaktionen, die sonst mit rein thermischen Methoden nicht zugänglich wären. Plasmabehandlungen können auch zur Oberflächenmodifizierung von Substraten vor der ALD-Bearbeitung eingesetzt werden.

Die Grundkonfiguration umfasst in der Regel eine abgedichtete Reaktionskammer mit Durchflusseigenschaften, die geeignet sind für den Einlass sowie Auslass von reaktiven Precursorn, mehrere Precursor-Zufuhrmodule sowie Hochgeschwindigkeitsventile und Softwaresteuerung.

Statt unterschiedlicher Techniken benötigen manche Anwendungen mehrere Ausführungen derselben Technik. Dies gilt insbesondere für das Sputtern, bei dem eine Reihe von Kathoden und/oder Effusionszellen für organische Materialien in einer Kammer montiert werden können.

Ein kritischer Aspekt mehrerer oder kombinierter Techniken in einem Depositionssystem ist die Kreuzkontamination. Die „Dampf-Fahne“ eines Materials darf sich nicht auf dem Material in einer anderen Depositionsquelle absetzen (kontaminieren). Dies wird durch sorgfältiges Design der Quellen, Schilde und Shutter erreicht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt von Mehrkammersystemen ist die Geometrie in der Ausrichtung der Quellen. Verdampfungsquellen werden mit der Achse der Dampffahne senkrecht nach oben montiert. Dies verhindert ein Auslaufen, wenn das Material bei seiner Verdampfungstemperatur geschmolzen wird. Magnetron-Sputterkathoden sind nicht orientierungsabhängig, d.h. sie können in jedem beliebigen Winkel montiert werden. Zwei gängige Anordnungen für mehrere Sputterquellen sind „parallel“ und „konvergent“. Die parallele Ausrichtung ist eine übliche Anordnung in großflächigen Beschichtungsanlagen, bei denen mehrere Substrate auf einer rotierenden Platte montiert sind und die Platte sich bewegt, um das Zentrum eines Substrats über dem Zentrum jeder Quelle zu lokalisieren (diese Anordnung eignet sich für die sequentielle Schichtdeposition). Konvergente Quellen haben Achsen, die sich an einem Punkt im Raum treffen, der mit dem Mittelpunkt der Substratoberfläche übereinstimmt, oder leicht versetzt sind, um eine bessere Gleichmäßigkeit zu erreichen. Diese Anordnung ist besonders nützlich, wenn verschiedene Materialien auf einem einzigen Substrat gemeinsam abgeschieden werden sollen.

Mehrkammer-Depositionsanlagen können auch durch die Kombination von Kammern/Modulen aufgebaut werden, die verschiedene Techniken beherbergen. Diese Anordnung vermeidet in der Regel Kreuzkontaminationen sehr gut. Komplexere Kombinationen verbinden UHV-Kammern für z. B. MBE-Deposition und Oberflächenanalyse oder Hochvakuumkammern für Plasmaätzen, Metallabscheidung, organische Deposition, Maskenlagerung, ALD, etc. in einer Clusteranordnung.

Im Gegensatz zu typischen Lichtbogenquellen ermöglicht die gefilterte Lichtbogenquelle die Abtrennung von Makropartikeln aus dem Plasma. Das kathodische Lichtbogensputtern kondensiert Ionen, was für einige Anwendungen Vorteile gegenüber dem Standard-Magnetron-Sputtern bietet, da ein Plasma aus gesputtertem Material erzeugt wird und nicht Neutrale, die beim Standard-Sputtern entstehen. Diese Technik ist nützlich für das Sputtern von Graphit zu diamantähnlichem Kohlenstoff mit einer besseren Kontrolle der Filmeigenschaften als bei der traditionellen Lichtbogenverdampfung und wurde auch mit Silber als Dotierung zur Erzeugung antibakterieller Eigenschaften verwendet. Ein Substrat-Bias ermöglicht die Kontrolle der Energie der ankommenden Atome und die Abstimmung Film-Stress. Zudem arbeitet diese Technik bei niedrigeren Drücken als das herkömmliche Sputtern.

Bei einer solchen Entladung können die Soll-Spitzenleistungsdichten während des Impulses in der Größenordnung von mehreren zehn Kilowatt pro Quadratzentimeter liegen, während die mittleren Leistungsdichten mit denen des Gleichstrom-Magnetron-Sputterns vergleichbar oder gleich sind. Besonders hervorzuheben ist, dass man, um so hohe Leistungsdichten auf einem Ziel zu erreichen, nur seine Stromversorgung aufrüsten muss. Die hohen Spitzenleistungsimpulse auf dem Target führen bei HIPIMS zu Plasma-Elektronendichten von bis zu 1019m-3, was drei Größenordnungen höher ist, als beim Gleichstrom-Sputtern. Diese hohen Plasmadichten fördern die Ionisierung des gesputterten Materials und bilden einen ionisierten gesputterten Materialfluss, wobei der Ionisierungsanteil 90 % erreichen kann. Der Ionenfluss unterliegt einer elektrischen und magnetischen Kraft, so dass seine Richtung und Energie gesteuert und zur Substratvorbehandlung sowie zur Verbesserung der Film- und Bauteileigenschaften genutzt werden kann.

Das KJLC Wedge-Werkzeug kann zusätzlich zur Schattenmaske auch die Anzahl der hinterlegten Materialfilme mit n Variationen unterstützen. n ist die Anzahl der Spalten und ihre Breite kann programmiert werden.

Beispiel: Sechsstufige (oder sechs Spalten) Deposition unterschiedlicher Dicke eines „Materials“ oder sechs Depositionen verschiedener Materialien gleicher Dicke oder unterschiedlicher Dicke.

Das Substrat kann in der Kassette um 90, 180 oder 270 Grad gedreht werden, um dann den obigen Keilbeschichtungsvorgang zu wiederholen.

Die Verwendung des KJLC Dual Wedge Werkzeugs in Kombination mit der Rotation/Orientierung des Substrats führt zu nxn Depositionen. Im Beispiel werden insgesamt 36 Beschichtungen mit einfacher Handhabung des Dual Wedge-Werkzeugs und Substratrotation vorbereitet werden.