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IPI > Instrumente & Methoden > Sputtern

Prof. Dr. Bruno K. Meyer       Dr. Angelika Polity

Kathodenzerstäubung (Sputtern) Seit vielen Jahren werden am I. Physikalischen Institut funktionale Schichten mittels Kathoden-Zerstäubung hergestellt, analysiert und ihre Eigenschaften optimiert. Für die Herstellung dünner Schichten mittels Sputtertechniken stehen bei am IPI zwei RF (Radio-Frequenz)-Anlagen zur Verfügung.

Prinzip der Kathodenzerstäubung

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 Target. 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 Edelgas (z.B. Ar) benutzt. Beim reaktiven Zerstäuben wird eine Komponente der Schicht gasförmig zugegeben, z. B. O2, N2, H2S.

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. Der prinzipielle Aufbau einer RF-Sputteranlage ist in Abbildung 1 dargestellt. 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.

Abb. 1: Schematische Darstellung einer RF-Zerstäubungsanlage. Ein Generator erzeugt die Hochfrequenz von 13,56 MHz. Diese wird über ein Anpassungsnetzwerk mit Target und größerer Substratelektrode verbunden und kapazitiv in das Plasma eingekoppelt.

Anlagen im IPI

  • RF-Sputteranlagen arbeiten bei einer Frequenz von 13.56 MHz. Die kleinere am IPI genutzte Anlage der Firma R. D. Mathis Company (Abb. 2) wird von einem Sender mit regelbarer Ausgangsleistung von bis zu 1.2 kW versorgt. Der Basisdruck der Anlage, die über eine Turbomolekularpumpe mit Stickstoff-Kühlfalle gepumpt wird, beträgt 10 -4 Pa. Im Rezipienten kann eines von drei möglichen Targets (Durchmesser 4 Zoll), die mit den wassergekühlten Kathoden verbunden sind, mittels mehrscheibiger Sektorblende ausgewählt werden. Der Cu-Be-Substratträger ( » 10 ´10 cm 2) ist elektrisch geregelt bis zu einer Temperatur von 500°C beheizbar. Über 4 Massenflussregler (engl.: mass flow controller, MFC) können sowohl Arbeits- als auch Reaktivgase in die Kammer eingelassen werden.
  • Die zweite Anlage, die am IPI zur Verfügung steht, ist eine RF-Mehrkammeranlage (SLS-TWIN 400/1000) der Firma Pfeiffer Vacuum (Abb.: 3). Diese Sputteranlage besteht aus einer Beladekammer, einer Transferkammer, einer 1-Magnetron-Sputterkammer und einer 4-Magnetron-Sputterkammer. Für jedes der 5 Magnetrontargets ist ein RF-Generator (je 1,2 kW) installiert. Der Basisdruck der Anlage, die über vier Turbopumpen, zwei trockene Vorpumpen, zwei Membranpumpen und zwei Meissner-Fallen gepumpt wird, erreicht Werte von < 10 –5 Pa. Die Anlage erlaubt die Verwendung von Targets bis zu 8 Zoll Durchmesser. Der Substratträger in der 1-fach-Sputterkammer kann bis 600 °C beheizt werden. Über Massenflussregler können Prozessgase in die Kammern eingelassen werden.

 

Fig. 2: RF-Sputteranlage der Firma R. D. Mathis Company

 

Fig. 3: RF-Mehrkammeranlage SLS-TWIN 400/1000 der Firma Pfeiffer Vacuum