Dünnschichtabscheidung ist die Technologie des Auftragens eines sehr dünnen Materialfilms – zwischen einigen Nanometern und etwa 100 Mikrometern oder der Dicke einiger Atome – auf eine zu beschichtende „Substrat“-Oberfläche oder auf eine zuvor abgeschiedene Beschichtung zur Bildung von Schichten. Dünnschichtverfahren sind das Herzstück der heutigen Halbleiterindustrie, von Solarpanels, CDs, Festplattenlaufwerken und optischen Geräten.
Dünnschichtverfahren werden in der Regel in zwei große Kategorien eingeteilt: Chemische Abscheidung und physikalische Abscheidung aus der Gasphase (Physical Vapor Deposition Coating Systems).
Bei der chemischen Abscheidung bewirkt ein flüchtiger flüssiger Vorläufer eine chemische Veränderung auf einer Oberfläche, so dass eine chemisch abgeschiedene Schicht entsteht. Ein Beispiel ist die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD), die zur Herstellung der reinsten und leistungsfähigsten Feststoffe in der heutigen Halbleiterindustrie verwendet wird.
Die physikalische Gasphasenabscheidung bezieht sich auf ein breites Spektrum von Technologien, bei denen ein Material aus einer Quelle freigesetzt und durch mechanische, elektromechanische oder thermodynamische Prozesse auf einem Substrat abgeschieden wird. Die beiden gebräuchlichsten Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung oder PVD sind die thermische Verdampfung und das Sputtern.
Thermische Verdampfung
Thermischen Verdampfungsprozesses
Bei der thermischen Verdampfung wird ein festes Material, das zur Beschichtung eines Substrats verwendet werden soll, in einer Hochvakuumkammer erhitzt, bis es zu sieden beginnt und unter Dampfdruck verdampft. In der Vakuumbeschichtungskammer reicht bereits ein relativ geringer Dampfdruck aus, um eine Dampfwolke zu erzeugen. Dieses verdampfte Material bildet nun einen Dampfstrom, der sich im Vakuum ohne Reaktion oder Streuung an anderen Atomen fortbewegen kann. Er durchquert die Kammer und trifft auf das Substrat, auf dem er als Beschichtung oder dünner Film haften bleibt.
Es gibt zwei Hauptmethoden zur Erwärmung des Ausgangsmaterials während der thermischen Verdampfung. Die eine wird als Glühfadenverdampfung bezeichnet, da sie mit einem einfachen elektrischen Heizelement oder Glühfaden durchgeführt wird. Die andere gängige Wärmequelle ist ein Elektronenstrahl oder die E-Beam-Verdampfung, bei der ein Elektronenstrahl auf das Ausgangsmaterial gerichtet wird, um es zu verdampfen und in die Gasphase zu überführen.
Dünnschichtverdampfungssysteme bieten die Vorteile relativ hoher Abscheidungsraten, einer Echtzeitkontrolle der Rate und der Schichtdicke und (bei geeigneter physikalischer Konfiguration) einer guten Richtungssteuerung des Verdampfungsstroms für Verfahren wie Lift Off, um direkt strukturierte Beschichtungen zu erzielen.
Sputtern
Beim Sputtern wird ein Zielmaterial mit hochenergetischen Teilchen beschossen, die auf einem Substrat wie einem Siliziumwafer oder einem Solarpanel abgeschieden werden sollen. Die zu beschichtenden Substrate befinden sich in einer Vakuumkammer, die ein Inertgas – in der Regel Argon – enthält, und eine negative elektrische Ladung wird auf das abzuscheidende Zielmaterial aufgebracht, wodurch das Plasma in der Kammer zum Glühen gebracht wird.
Atome werden durch Zusammenstöße mit den Argongasatomen vom Zielmaterial „abgesputtert“, wobei diese Teilchen durch die Vakuumkammer getragen und als dünner Film abgeschieden werden. Mehrere verschiedene Methoden von Plasma-Gasphasenbeschichtungssystemen sind weit verbreitet, darunter Ionenstrahl- und ionenunterstütztes Sputtern, reaktives Sputtern in einer Sauerstoffgasumgebung, Gasfluss und Magnetronsputtern.
Magnetronsputtern
Sputterverfahrens
Beim Magnetronsputtern werden Magnete verwendet, um Elektronen über dem negativ geladenen Zielmaterial einzufangen, so dass sie nicht frei auf das Substrat treffen können, was eine Überhitzung oder Beschädigung des zu beschichtenden Objekts verhindert und eine schnellere Abscheidung von Dünnschichten ermöglicht. Magnetron-Sputteranlagen sind in der Regel als „In-line“-Anlagen konfiguriert, bei denen die Substrate auf einer Art Förderband am Targetmaterial vorbeilaufen, oder als kreisförmige Anlagen für kleinere Anwendungen. Im Vergleich zur thermischen Verdampfung, bei der herkömmlichere Heiztemperaturen verwendet werden, findet das Sputtern in der Plasmaumgebung des „vierten Naturzustands“ mit viel höheren Temperaturen und kinetischen Energien statt, was eine viel reinere und präzisere Dünnschichtabscheidung auf atomarer Ebene ermöglicht.
Welcher Ansatz die richtige Wahl für Ihren spezifischen Bedarf an Beschichtungssystemen für die Dünnschichtabscheidung ist, kann von vielen komplexen Faktoren abhängen – und es kann mehr als ein Ansatz gewählt werden, um ähnliche Ziele zu erreichen. Sie sollten immer die Hilfe eines kompetenten Experten für Vakuumtechnik in Anspruch nehmen, der Ihre genauen Bedürfnisse beurteilt und Ihnen das optimale Ergebnis zum besten Preis anbietet.
Matt Hughes ist Präsident von Semicore Equipment Inc, einem weltweit führenden Anbieter von Sputteranlagen für die Elektronik-, Solarenergie-, Optik-, Medizin-, Militär-, Automobil- und verwandte High-Tech-Industrien. Bitte lassen Sie sich von unseren hilfsbereiten Support-Mitarbeitern alle Fragen beantworten, die Sie zum Thema „Was ist Dünnschichtabscheidung?“ und zur Anwendung der besten Techniken für Ihre speziellen Anforderungen an Dünnschichtaufdampfanlagen haben. Kontaktieren Sie uns unter [email protected] oder rufen Sie uns unter 925-373-8201 an.
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