Sputterbeschichtungstechnologie

1. Eigenschaften der Sputterbeschichtung
Im Vergleich zur herkömmlichen Vakuumverdampfungsbeschichtung weist die Sputterbeschichtung folgende Merkmale auf:
(1) Jede Substanz kann gesputtert werden, insbesondere Elemente und Verbindungen mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem Dampfdruck. Solange es sich um einen Feststoff handelt, sei es ein Metall, Halbleiter, Isolator, eine Verbindung oder ein Gemisch usw., kann jedes Material, ob blockförmig oder körnig, als Targetmaterial verwendet werden. Da beim Sputtern von isolierenden Materialien und Legierungen wie Oxiden nur geringe Zersetzung und Fraktionierung auftritt, können diese zur Herstellung von Dünnschichten und Legierungsfilmen mit einheitlicher Zusammensetzung, ähnlich der des Targetmaterials, und sogar von supraleitenden Filmen mit komplexen Zusammensetzungen verwendet werden. Darüber hinaus kann das reaktive Sputterverfahren auch zur Herstellung von Filmen aus Verbindungen eingesetzt werden, die sich völlig vom Targetmaterial unterscheiden, wie beispielsweise Oxide, Nitride, Carbide und Silicide.
(2) Gute Haftung zwischen dem gesputterten Film und dem Substrat. Da die Energie der gesputterten Atome um ein bis zwei Größenordnungen höher ist als die der verdampften Atome, erzeugt die Energieumwandlung der auf dem Substrat abgeschiedenen hochenergetischen Partikel eine höhere thermische Energie. Dies verbessert die Haftung der gesputterten Atome am Substrat. Ein Teil der hochenergetischen gesputterten Atome wird in unterschiedlichem Maße injiziert und bildet eine sogenannte Pseudodiffusionsschicht auf dem Substrat, in der die gesputterten Atome und die Atome des Substratmaterials miteinander „mischbar“ sind. Zusätzlich wird das Substrat während des Beschusses mit den Sputterpartikeln in der Plasmazone stets gereinigt und aktiviert. Dadurch werden schlecht haftende, ausgefällte Atome entfernt und die Substratoberfläche gereinigt und aktiviert. Infolgedessen wird die Haftung der gesputterten Filmschicht auf dem Substrat deutlich verbessert.
(3) Hohe Dichte der Sputterbeschichtung, weniger Nadellöcher und höhere Reinheit der Filmschicht, da keine Tiegelverunreinigung auftritt, die bei der Vakuumdampfabscheidung während des Sputterbeschichtungsprozesses unvermeidbar ist.
(4) Gute Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Schichtdicke. Da Entladungsstrom und Targetstrom während der Sputterbeschichtung separat gesteuert werden können, lässt sich die Schichtdicke durch Steuerung des Targetstroms regeln. Dadurch sind die Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Schichtdicke bei mehrfacher Sputterbeschichtung gut, und Schichten mit vordefinierter Dicke können effektiv aufgebracht werden. Darüber hinaus ermöglicht die Sputterbeschichtung eine gleichmäßige Schichtdicke über eine große Fläche. Allerdings ist die Ausrüstung für die gängige Sputterbeschichtungstechnologie (hauptsächlich Dipol-Sputtern) komplex und erfordert Hochdruckanlagen. Die Schichtbildungsgeschwindigkeit der Sputterdeposition ist gering, die Vakuumverdampfungsrate liegt bei 0,1–5 nm/min, die Sputterrate hingegen bei 0,01–0,5 nm/min. Zudem steigt die Substrattemperatur stark an und ist anfällig für Verunreinigungen. Dank der Entwicklung der HF-Sputter- und Magnetron-Sputtertechnologie wurden jedoch große Fortschritte bei der schnellen Sputterdeposition und der Reduzierung der Substrattemperatur erzielt. Darüber hinaus werden in den letzten Jahren neue Sputterbeschichtungsverfahren erforscht, die auf planarem Magnetron-Sputtern basieren und darauf abzielen, den Sputterluftdruck bis hin zum Null-Druck-Sputtern zu minimieren, bei dem der Druck des Einlassgases während des Sputterns null beträgt.