Prinzip der Kathodenzerstäubung (DC-Sputtern)

 Eine Zerstäubungs-Anlage besteht im einfachsten Fall aus einer Anordnung von zwei planparallelen Elektroden in einer Vakuumanlage, zwischen denen sich ein Gas befindet, und an die eine Gleichspannung von einigen hundert Volt angelegt wird, wodurch sich ein Plasma bildet. Aus diesem Plasma trifft nun ein permanenter Strom aus positiven Ionen auf die Kathode bzw. das davor befestigte so genannte Target, das aus dem abzuscheidenden Material besteht. Durch Impulsübertrag werden aus dem Target Teilchen ausgeschlagen. Vor der Anode kann ein zu beschichtendes Werkstück (Substrat) angebracht werden, auf dem sich das zerstäubte Material als dünne Schicht niederschlägt. Der Prozess läuft bei ständigem, geregeltem Gasdurchfluss ab. Als Arbeitsgas wird ein inertes Edelgas (z.B. Ar) benutzt. Diese Art der Kathodenzerstäubung nennt sich, auf Grund der angelegten Spannungsart, Gleichstrom-Kathodenzerstäubung (direct current sputtering).

Diese einfache Sputtermethode eignet sich nur für leitfähige Targets wie z.B. Metalle. Bei der Verwendung von nichtleitfähigen Targets treten Aufladungseffekte auf, durch die die Argon-Ionen nicht mehr zum Target hin beschleunigt werden. Um diesen Effekten entgegen zu wirken gibt es die möglichkeiten des Hochfrequenz- oder Reaktivsputterns.

Hochfrequenz-Zerstäubung

Bei der Hochfrequenz-Zerstäubung (RF-Sputtern) wird die Energie induktiv über ein Wirbelfeld oder kapazitiv über die Parallelplatten-Anordnung in das Plasma eingekoppelt. Da im Plasma die hochbeweglichen Elektronen freie Oberflächen schneller erreichen als die Ionen, lädt sich jede Oberfläche gegenüber dem Plasma negativ auf, und eine Eigenvorspannung (engl. self bias) stellt sich ein. Aus dem zeitlichen Verlauf der Spannungen ergibt sich, dass fast während der gesamten Periode ein Ionenstrom zum Target fließt und dieses zerstäuben kann. Der große Vorteil der HF-Entladung ist, dass nur Verschiebungsströme fließen, daher kann das Target aus nichtleitenden Materialien bestehen.

Reaktiv-Zerstäubung

Beim reaktiven Zerstäuben wird zusätzlich zu dem inerten Arbeitsgas ein oder mehrere so genannte Reaktivgase in den Prozess eingeleitet. Auf diese Weise ist es möglich von metallischen Targets Verbindungshalbleiter oder Isolatoren wie ZnO, Cu₂O, ZnS, Cu(InGa)S₂ und YSZ (Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid) herzustellen und über den Gasmassenfluss die Eigenschaften der Schichten zu beeinflussen.

Magnetron-Zerstäubung

Bringt man hinter dem Target Magnete an, so werden die im Plasma befindlichen freien Elektronen durch das Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen und stoßen so öfter mit den anderen Gasteilchen zusammen. Durch diese Stöße erhöht sich der Ionisationsgrad des Plasmas innerhalb der Magnetfelder und so seine Dichte, was an diesen Stellen zu einer größeren Abtragrate des Targetmaterials führt.

Anlagen im IPI

PM1/2

Die PM1/2 besteht aus zwei Prozessmodulen (PM) die mit 3 oder 4 Zoll Targets betrieben werden können. Das PM1 ist eine Ein-Target-Anlage mit Substratheizung, das PM2 eine Vier-Target-Anlage ohne Substratheizung. Alle Plätze sind mit Magnetron ausgestattet, verfügen über die Möglichkeit mehrere Reaktivgase einzulassen und werden mit Hochfrequenztechnik betrieben, um auch nichtleitende Targets verwenden zu können. Die maximale Leistung beträgt je nach Target bis zu 600 Watt.

Mini

Die „Mini“ ist eine Ein-Kammer-Anlage mit drei 3“-Targetplätzen und beheizbarem Substratplatz. Alle Plätze verfügen über ein Magnetron und werden mittels Hochfrequenz gespeist. Die Zugabe von Reaktivgasen ist möglich. Die maximale Sputterleistung beträgt 600 Watt.

Wave

Die „Wave“ ist eine Mehrkammeranlage mit insgesamt fünf 8“-Targetplätzen. Alle Plätze verfügen über die Möglichkeit neben dem Arbeitsgas bis zu zwei zusätzliche Reaktivgase einzulassen. Jeder Platz verfügt über ein rotierendes Magnetron (für eine gleichmäßigere Beschichtung) und die Möglichkeit auch das Substrat zu diesem Zweck rotieren zu lassen. Drei der Kammern werden durch Hochfrequenz gespeist, eine durch Gleichspannung und eine durch gepulste Gleichspannung. Alle Kammern sind miteinander verbunden, so dass auch hier die Herstellung von Multischichtsystemen möglich ist, ohne das Vakuum zu verlassen. Die Plätze können mit einer maximalen Leistung von 12 kW angefahren werden.

Spock (im Aufbau)

Spock ist eine Drei-4“-Target-Anlage, die mit Hochfrequenz gespeist wird und über zwei zusätzliche Reaktivgaseinlässe verfügt.