PVD-Beschichtungen: Thermisches Verdampfen und Sputtern

PVD-Beschichtungen (Physical Vapor Deposition) sind weit verbreitete Verfahren zur Herstellung dünner Filme und Oberflächenbeschichtungen. Zu den gängigen Methoden zählen thermisches Verdampfen und Sputtern. Hier eine Übersicht der einzelnen Verfahren:

1. Thermische Verdampfung

• Prinzip:Das Material wird in einer Vakuumkammer erhitzt, bis es verdampft oder sublimiert. Das verdampfte Material kondensiert dann auf einem Substrat und bildet einen dünnen Film.
• Verfahren:
• Ein Ausgangsmaterial (Metall, Keramik usw.) wird erhitzt, normalerweise mithilfe von Widerstandsheizung, Elektronenstrahl oder Laser.
• Sobald das Material seinen Verdampfungspunkt erreicht, verlassen Atome oder Moleküle die Quelle und wandern durch das Vakuum zum Substrat.
• Die verdampften Atome kondensieren auf der Oberfläche des Substrats und bilden eine dünne Schicht.
• Anwendungen:
• Wird häufig zum Abscheiden von Metallen, Halbleitern und Isolatoren verwendet.
• Zu den Anwendungen gehören optische Beschichtungen, dekorative Oberflächen und Mikroelektronik.
• Vorteile:
• Hohe Abscheidungsraten.
• Einfach und kostengünstig für bestimmte Materialien.
• Kann hochreine Filme erzeugen.
• Nachteile:
• Beschränkt auf Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt oder hohem Dampfdruck.
• Schlechte Stufenabdeckung auf komplexen Oberflächen.
• Geringere Kontrolle über die Filmzusammensetzung bei Legierungen.

2. Sputtern

• Prinzip: Ionen aus einem Plasma werden in Richtung eines Zielmaterials beschleunigt, wodurch Atome aus dem Ziel herausgeschleudert (gesputtert) werden, die sich dann auf dem Substrat ablagern.
• Verfahren:
• Ein Zielmaterial (Metall, Legierung usw.) wird in die Kammer gelegt und ein Gas (normalerweise Argon) wird eingeleitet.
• Durch Anlegen einer Hochspannung wird ein Plasma erzeugt, das das Gas ionisiert.
• Die positiv geladenen Ionen aus dem Plasma werden in Richtung des negativ geladenen Ziels beschleunigt, wodurch Atome physikalisch von der Oberfläche gelöst werden.
• Diese Atome lagern sich dann auf dem Substrat ab und bilden einen dünnen Film.
• Anwendungen:
• Wird häufig in der Halbleiterherstellung, beim Beschichten von Glas und bei der Herstellung verschleißfester Beschichtungen verwendet.
• Ideal zum Erstellen von Legierungen, Keramik oder komplexen Dünnfilmen.
• Vorteile:
• Kann eine große Bandbreite an Materialien abscheiden, darunter Metalle, Legierungen und Oxide.
• Hervorragende Filmgleichmäßigkeit und Stufenabdeckung, selbst bei komplexen Formen.
• Präzise Kontrolle über Filmdicke und -zusammensetzung.
• Nachteile:
• Langsamere Abscheidungsraten im Vergleich zur thermischen Verdampfung.
• Teurer aufgrund der Gerätekomplexität und des höheren Energiebedarfs.

Hauptunterschiede:

• Ablagerungsquelle:
• Bei der thermischen Verdampfung wird Material durch Hitze verdampft, während beim Sputtern Atome durch Ionenbeschuss physikalisch gelöst werden.
• Benötigte Energie:
• Die thermische Verdampfung erfordert typischerweise weniger Energie als das Sputtern, da sie auf Erhitzung und nicht auf Plasmaerzeugung beruht.
• Materialien:
• Durch Sputtern kann eine größere Bandbreite an Materialien abgeschieden werden, darunter auch solche mit hohen Schmelzpunkten, die schwer zu verdampfen sind.
• Filmqualität:
• Durch Sputtern lässt sich die Filmdicke, -gleichmäßigkeit und -zusammensetzung im Allgemeinen besser kontrollieren.