Startseite > Grundlagen > Gasflusssputtern

Hohlkathodenverfahren

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik

Hohlkathoden Rundquelle in Betrieb

Gasflusssputtern

Das Gasflusssputtern (gas flow sputtering, GFS) ist ein spezielles PVD-Verfahren (physical vapour deposition), welches zu den Sputterverfahren zählt. Beim Sputtern (von to sputter – zerstäuben) werden von einer Metallplatte (Target), die meist als Kathode einer Niederdruck-Glimmentladung geschaltet ist, durch Argon-Ionenbeschuss Metall-Atome aus der Oberfläche herausgelöst, die sich auf dem zu beschichtenden Objekt (Substrat), welches in einigen Zentimetern Abstand positioniert wird, als Schicht niederschlagen.

Während beim bekannten Magnetron-Sputtern die Glimmentladung durch ein Magnetfeld verstärkt wird, erfolgt dies beim Gasflusssputtern durch den Hohlkathodeneffekt. Außerdem beruht der Materialtransport zum Substrat nicht auf freiem Flug durch das verdünnte Arbeitsgas (Argon), sondern auf einer intensiven Argon-Gasströmung. Das (zumeist metallische) Sputtertarget hat die Gestalt einer Hohlkathode, meist in Form von zwei parallel angeordneten rechteckigen Platten oder als kurzes Rohr, und wird vom Argon durchströmt. Ionen aus der Hohlkathodenentladung zerstäuben das Target und der Argonstrom transportiert das Material in überwiegend atomarer Form zum Substrat. Der typische Arbeitsdruck liegt bei 0.2 – 0.8 mbar.

Die Herstellung von Oxidschichten erfolgt meist als reaktiver Prozess. Dazu wird an der Hohlkathodenmündung etwas Sauerstoff hinzugefügt, für Nitridschichten Stickstoff. Ein besonderer Vorteil des GFS-Verfahrens besteht darin, dass das Reaktivgas nicht zur Targetoberfläche vordringen kann. Dadurch gibt es keine Plasma-Instabilitäten und keine Ratenminderung, wie häufig beim reaktiven Magnetronsputtern, und aufwändige Mess- und Regeleinrichtungen entfallen. Es können daher insbesondere für Oxidschichten sehr hohe Beschichtungsraten bis zu 100 µm/h erreicht werden. Die Anwendungsfelder liegen u.a. in den Bereichen Optik, elektrische Isolation, Korrosionsschutz und Verschleißschutz. Der Materialschwerpunkt liegt hier bei den hochschmelzenden, meist gut elektrisch isolierenden Oxiden. Die Herstellung mehrphasiger Schichten kann bei Mischungslücken bequem durch zusammengesetzte Targets erfolgen, die durch Vermischung im Argon-Gasstrom eine präzise Einstellung der Schichtzusammensetzung ermöglichen.

Da kein Magnetfeld benötigt wird, erfolgt der Targetabtrag gleichmäßig und es kann mit sehr hoher Leistungsdichte gearbeitet werden, was einer hohen Beschichtungsrate zugute kommt. Das Gasflusssputtern eignet sich daher auch besonders für Schichtdicken oberhalb einiger Mikrometer. Außerdem wird das Target sehr gut ausgenutzt, und es können problemlos auch Beschichtungen mit weichmagnetischen Targets durchgeführt werden.

Aufgrund des hohen Prozessdruckes verlieren die energiereichen Plasmateilchen auf dem Weg zum Substrat den größten Teil ihrer Energie. Dadurch entstehen spannungsarme Schichten und es lassen sich auch empfindliche Substrate beschichten. Andererseits ermöglichen die besonders zahlreichen Ionen beim Anlegen einer Substratvorspannung (Bias) einen intensiven Ionenbeschuss bei moderater Ionenenergie. So entstehen sehr kompakte, dichte und harte Schichten. Bei längerem Flugweg bilden sich aus den Atomen zunächst Cluster und später Nanopartikel. Auf diese Weise lassen sich definiert nanoporöse Schichten herstellen.

Der gerichtete Materialstrahl ermöglicht in bestimmten Grenzen die Beschichtung in Hohlräume hinein. Durch Miniaturisierung der GFS-Quellen lassen sich diese zur Innenbeschichtung auch in Hohlräume einführen. Für die Großflächenbeschichtung lassen sich lineare GFS-Quellen unbegrenzt aufskalieren. Der vergleichsweise hohen Arbeitsdruck und die intensive Gasspülung ermöglichen kurze Auspumpzeiten, was vorteilhaft für schleusenlose Kurztaktprozesse ist. Die Quellen-, Generator- und Anlagentechnik ist einfach und robust und sichert einen stabilen Betrieb bei moderaten Anlagenkosten.

Bilder

Zuletzt aktualisiert am: 2013-09-22 21:57:42 CEST
Quelle: http://hohlkathoden.fraunhofer.de/de/grundlagen/gasflusssputtern/
QR-Code

Ansprechpartner

Dr. Thomas Jung
Telefon +49 531 2155-616
Fax +49 531 2155-900
thomas.jung@ist.fraunhofer.de
Dr. Kai Ortner
Telefon +49 531 2155-637
Fax +49 531 2155-900
kai.ortner@ist.fraunhofer.de