Die Plasmadeposition ist eine Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl von Beschichtungsprodukten wie energieeffiziente Architekturverglasung, Dünnschicht-Photovoltaik, Displays u.a. Die Anforderungen an die Technologie hinsichtlich Präzision und Komplexität steigen zunehmend und erfordern verbesserte Prozesskonzepte, wie sie mit konventioneller, einfacher Zerstäubung nicht möglich sind, um optimale strukturelle und optische Eigenschaften im Bereich Präzisionsoptiken, Hartvergütungen oder ultraharte Materialien zu erzielen. Ionenstrahl-Sputter-Deposition (IBSD) arbeitet bei einem niedrigeren Druck, was die Problematiken der Substrataufheizung und des Verunreinigungseinbaus im deponierten Film minimiert. Da IBSD ein Atom-nach-Atom-Transportprozess hochenergetischer Teilchen in einer Niederdruck- Umgebung ist, haben die so erzeugten Filme hohe Packungsdichte und Qualität. Daher gilt IBSD mehr und mehr als eine Alternative zu den herkömmlichen Methoden, da eine unabhängige Kontrolle von Strahlenergie, Strahlrichtung und Stromdichte ermöglicht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Abscheidungstechniken werden verbesserte Eigenschaften erwartet: hohe Oberflächenqualität, dichte glatte Filme, sehr geringe Streuung, sehr geringe optische Verluste, sehr gute Reproduzierbarkeit, hervorragende Homogenität und maximale Flexibilität.

Ionenstrahlen werden für Dünnschicht-Abscheidung in einer Vielzahl von Konfigurationen angewendet. Die erste Konfiguration, die direkte Ionenstrahl-Deposition (Abbildung 1), ist die konzeptionell einfachste der Ionenstrahl-Depositions-Techniken, bei denen das Material selbst aus dem ionisierten Strahl abgeschieden wird. Die Dünnschichteigenschaften hängen im Allgemeinen stark von der Energetik des Teilchenbeschusses beim Schichtwachstum ab und direkte Ionenstrahl-Deposition bietet komplette Kontrolle über die Materialspezies. Leider gibt es Beschränkungen für praktische Anwendungen dieses Verfahrens. Zum einen können viele Materialien nicht einfach in eine Gasentladung eingeführt werden, um ionisiert zu werden, Dies begrenzt die Wahl vor allem auf Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt oder hohem Dampfdruck. Zweitens muss die Depositionsenergie der Ionen gering gehalten werden, sodass die Selbst-Sputter-Ausbeute nicht die Akkumulation des Filmes behindert. Diese Bedingung beschränkt den Fluss

auf niedrige Werte, was zu entsprechend niedrigen Depositionsraten führt. Anwendungen dieser Konfiguration sind daher auf Studien des Wachstumsverhaltens der Schichten bei verschiedenen Abscheidungsenergien und Abscheidung feiner Metalllinien begrenzt. Abbildung 1: direkte Ionenstrahldeposition

Nutzen aus der Selbst-Sputter-Ausbeute dieses direkten Ionenstrahlbeschusses kann jedoch für andere Anwendungen gezogen werden. So verwenden Ion Beam Etching (IBE), Reactive Ion Beam Etching (RIBE) und Chemically Assisted Ion Beam Etching (CAIBE) diese Vorteile um Strukturen zu ätzen, indem mittels geeigneter Materialien bestimmte Bereiche vom Ionenbeschuss abgeschirmt werden und diesem lediglich die unmaskierten Bereiche ausgesetzt sind. Der Vorteil gegenüber konventionellen chemischen Ätzverfahren liegt dabei vorallem daran, dass die maskierten Bereiche nahezu unbeeinflusst bleiben, während chemische Ätzverfahren ebenfalls Bereiche unterhalb der Maskierung schädigen (Abbildung 2). Anwendung finden diese Strukturen dann in Optoelektronik, integrierten Schaltungen oder Laseroptik, um nur einige zu nennen.

 

Abbildung 2: Oberflächenstrukturierung mittels Ionenstrahlätzen

Die zweite Konfiguration, Ionenstrahl-Sputter-Deposition (Abbildung 3) nutzt die Vorteile des in Breitband-Ionenstrahl-Quellen verfügbaren hohen Ionenstromes. Die Abscheidung erfolgt „line-of-sight“ aufgrund des geringen Gas-Druckes, was ebenfalls strukturierte Abscheidung durch Masken erlaubt („lift-off deposition“). Da die Substrate nicht der Entladung oder dem Strahl direkt ausgesetzt sind, werden sie nicht deutlich erwärmt. Daher kann nahezu jedes Material, das gesputtert werden kann, auf temperaturempfindlichen Substraten abgeschieden werden.

Untersuchungen zeigen, dass Filme durch Ionenstrahl-Sputtern bei Temperaturen abgeschieden werden können, die unter denen anderer Techniken liegen. Die Ankunftsenergie gesputterter Atome in Ionenstrahl-Systemen entspricht wegen der niedrigen Gasdrücke der Ausstoßenergie (bis einige 10 eV). Diese Energie trägt zu einer aktivierten Oberfläche bei, ähnlich wie der Einfluss höherer Temperaturen.

Deposition reaktiver Verbindungen durch Ionenstrahl-Sputtern ist leicht durch die Einführung eines sogenannten Reaktivgases in die Depositionskammer oder direkt in die Ionenquelle zu realisieren, wenn man mit dem Ionenstrahl ein Metall oder einen Halbleiter sputtert.

Eine effizientere Möglichkeit, die reaktive Spezies einzuführen, bietet sich, wenn man einen weiteren Ionenstrahl verwendet (siehe Abbildung 4). Diese sogenannte Dual-Ionenstrahl-Deposition verbindet die Niederdruck-Tieftemperatur-Möglichkeit der Ionenstrahl-Abscheidung mit der zusätzlichen Flexibilität des kontrollierten Ionenbeschuss des wachsenden Films. So kann simultaner Ionenbeschuss während der Abscheidung dazu genutzt werden, um die Zusammensetzung der Schicht zu kontrollieren, die Oberfläche der wachsenden Schichten zu polieren, die Bedeckung steiler Oberflächenstufen zu verbessern  oder strukturelle Veränderungen in einem wachsenden Film hervorzurufen. Die Dual-Strahl-Technik ist besonders gut geeignet, reaktive Filme durch Zugabe des reaktiven Stoffes (z. B. Sauerstoff oder Stickstoff) in den auf die wachsende Schicht gerichteten Ionenstrahl zu generieren.

Verbundbildung auf der Oberfläche kann erzeugt werden während die Target-Oberfläche metallisch bleibt, da der inerte Target-Strahl eine hohe Abtragungsrate aufweist. Die Energie der auftreffenden Reaktivionen auf das Substrat führt zu Dissoziation, Implantation und chemisch aktivierten Gebieten, in denen Reaktionen stattfinden können. Wie bei anderen Ionenstrahl-Techniken ist der Ansatz direktional, d. h. Verbindungen bilden sich lediglich dort, wo der reaktive Strahl auf die Schicht trifft.

Abbildung 4: Dual-Ionenstrahl-Deposition