Sputtern

Der Begriff Sputtern ist an den englischen Begriff sputtering angelehnt und bezeichnet das Kathodenzerstäuben bzw. im weiteren Sinne auch die Sputterdeposition des zerstäubten Materials auf ein Substrat.

W.R. Grove berichtete im Jahre 1852 als erster über einen Sputterprozeß [26]. Eine der ersten Anwendungen war damals das Beschichten von Spiegeln. Durch eine verbesserte Vakuumtechnik ausgelöst, wurde das Sputtern jedoch schon bald von Verdampfungsverfahren abgelöst. Am Ende des zwanzigsten Jahrhunderts haben Sputterverfahren, durch die gesteigerte Reproduzierbarkeit und den großen Bedarf an Metallschichten (z.B. in der Mikroelektronik), wieder stark an Bedeutung gewonnen.

Abbildung 1.7: Vereinfachtes Schema des Sputterprozesses, nach [55]

Abbildung 1.7 zeigt einen vereinfachten Aufbau des Sputterverfahrens. Innerhalb des Behälters (a) befindet sich eine Diodenanordnung mit einer positiv geladenen Anode und einer negativ geladenen Kathode. Der Behälter ist bis auf ein Restgas mit einem Druck von etwa $10^{-3}$mbar evakuiert. Als Restgas wird vorzugsweise ein Edelgas (meist Argon) verwendet, um Reaktionen mit dem Target (b) oder dem Substrat (c) zu vermeiden. Zwischen der Anode und der Kathode wird eine Spannung im Bereich von 150 bis 3000V angelegt. Elektronen werden zur Anode hin beschleunigt, stoßen mit den dazwischen liegenden Argonatomen und ionisieren diese. Die positiv geladenen, ionisierten Argonatome werden dann zur Kathode hin beschleunigt und schlagen Atome aus der Kathode bzw. dem darüberliegenden Target. Neben neutralen Atomen des Targets werden außerdem Sekundärelektronen freigesetzt, die weitere Argonatome ionisieren. So entsteht bei geeigneten Bedingungen zwischen den beiden Elektroden ein stationäres Plasma (d). Die herausgeschlagenen, neutralen Atome des Targets verteilen sich gleichmäßig in der gesamten Kammer und erzeugen somit eine dünne Schicht (e) auf dem Substrat.

Die kinetische Energie der neutralen Targetatome liegt in dem Bereich von 1 bis 100eV. Verglichen mit der kinetischen Energie der Atome bei Verdampfungstechniken von etwa 0,1eV ist dies sehr hoch. Insbesondere diese hohe kinetische Energie trägt dazu bei, daß kompaktere und glattere Schichten entstehen als bei Verdampfungsverfahren [55]. Durch Stöße der Neutralteilchen im Gasraum wird deren Geschwindigkeit allerdings reduziert, so daß in der bei uns verwendeten Anordnung Maximalenergien von etwa 10eV vorliegen.

Dieses allgemeine Sputterverfahren wurde schon in vieler Hinsicht verfeinert. Statt einer einfachen Diodenanordnung können auch Trioden oder RF-Dioden zur Plasmaerzeugung verwendet werden. Beim Magnetron-Sputtern wird durch Anlegen eines Magnetfeldes die Ionisationswahrscheinlichkeit und Sputterrate erhöht.