Prinzip und Eigenschaften der Dünnschichtherstellung durch Sputtering-Verfahren

Bei einer Niederspannungs-Gleichstrom-Glimmentladung ist der Prozess in fünf Zonen unterteilt: die Kathodenzone, die negative Glühzone, die Faradaysche Dunkelzone, die positive Säulenzone und die Anodenzone. Eine dieser Zonen, die anomale Glimmentladung, ist diejenige, in der die abgeschiedene Schicht tatsächlich zerstäubt wird. Beim Sputtern fungiert das Substrat als Anode, die in der Regel in der negativen Glühzone liegt, und das Target als Kathode. Da die Energie und Geschwindigkeit von Elektronen viel höher ist als die von Ionen, bildet sich während der Glimmentladung eine Plasmamantelschicht, und aufgrund des vorhandenen Mantelpotentials wird ein großer Teil der an der Elektrode angelegten Spannung vom Kathodenmantelpotential aufgenommen. Der Aufbau des Plasmahüllenpotentials bewirkt, dass die Ionen, die die Kathode erreichen, entsprechend beschleunigt werden und Energie gewinnen. Daher haben die Ionen eine hohe Energie, wenn sie die Oberfläche der Kathode durch den Plasmabereich der Glimmentladung erreichen, und erzeugen einen Bombardierungseffekt auf der Oberfläche der Kathode, so dass die Moleküle und Atome des Kathodenmaterials herausgesputtert werden und das Sputtering-Phänomen auftritt. Diese Moleküle und Atome haben eine bestimmte kinetische Energie und werden in eine bestimmte Richtung auf die Oberfläche des Werkstücks geschossen, um einen dünnen Film zu bilden.

Das Sputtern ist ein komplexer Prozess, der von verschiedenen Phänomenen des Ionenbeschusses begleitet wird. Die Grundvoraussetzung für die Abscheidung von Dünnschichten besteht darin, dass die meisten der Teilchen, die bei der Hochgeschwindigkeitskollision der einfallenden Teilchen von der Festkörperoberfläche ausgestoßen werden, neutrale Atome oder Moleküle sind. Darüber hinaus sind die abgestrahlten Sekundärelektronen die Elementarteilchen, die die Glimmentladung beim Sputtern aufrechterhalten, und ihre Energie ist gleich dem Potenzial des Targets.

Das Diodensputtern ist das früheste Sputterverfahren für technische Anwendungen. Die Sputtervorrichtung des Diodensputterns besteht aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode, weshalb es auch als kathodisches Sputtern oder Gleichstromsputtern bezeichnet wird.

Da die Gasdissoziationsrate beim dipolaren Sputtern gering ist (in 0,3 % ~ 0,5%), ist die Abscheidungsrate langsam, die Ausnutzung des Zielmaterials gering, die Elektronen lassen die Substrattemperatur ansteigen und andere Unzulänglichkeiten, so dass die Sputtertechnologie zunächst nicht weit verbreitet war. Um diese Unzulänglichkeiten auszugleichen, wurde in den 1970er Jahren die Magnetronsputtertechnologie eingeführt. Durch die Magnetron-Sputtertechnik wird die Beschädigung der Schicht durch die Hitze der auf das Substrat auftreffenden Sekundärelektronen gemildert und die Sputterrate der dipolaren Sputtertechnik verbessert. Aus diesem Grund hat die Magnetron-Sputtertechnik unmittelbar nach ihrer Einführung eine rasche Entwicklung und breite Anwendung erfahren und ist inzwischen zu einer der wichtigsten Technologien für die Oberflächenbeschichtung von Materialien geworden.

Der Magnet ist an der Rückseite des Targets angebracht, so dass die Oberfläche der magnetischen Kraftlinie, die aus dem Target herausdringt, eine Struktur bildet, die senkrecht zum elektrischen Feld steht und schließlich zur Targetoberfläche zurückkehrt. Durch die bindende Wirkung des Magnetfelds auf die Sekundärelektronen auf der Targetoberfläche wird die Plasmakonzentration in der Nähe der Targetoberfläche deutlich erhöht, wodurch das Problem der geringen Abscheidungsrate beim herkömmlichen Dipolsputtern wirksam gelöst wird. Elektronen in den elektrischen und magnetischen Feldern, die Flugbahn gebogen ist, in den Prozess der fliegenden auf das Substrat Elektronen und Gasatome Kollision, so dass die Gasmoleküle ionisierten Kationen und Elektronen, Elektronen auf die Anode, und Kationen werden unter der Wirkung des elektrischen Feldes auf das Ziel beschleunigt werden, und hohe Energie Bombardement der Oberfläche des Ziels, so dass das Ziel Sputtern, Sputtern aus dem neutralen Ziel Atome (oder Moleküle) in das Substrat Abscheidung des Films Bildung.