Sputtern
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 abgetragen. Dies wird auch als Sputtern (engl. to sputter = hervorsprudeln, plappern) 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 eine 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 ubereinstimmen; 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. Die Energieverteilung der gelösten Atom hat ein Maximum bei der halben Oberflächenbindungsenergie (einige eV), fällt aber zu hohen Energien nur langsam ab, so dass die mittlere Energie häufig ca. eine Größenordnung darüber liegt.
Ausgenutzt wird dieser Effekt in Analysemethoden der Oberflächen- und Dünnschichtphysik, sowie zur Herstellung dünner Schichten (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, wobei unter dem Target zusätzlich ein Magnet angebracht ist. 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 integrierter 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.
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.