Magnetron-Sputtern

Sputterverfahren der FHR im Detail

  • Hohe Abscheideraten dank starker Permanentmagnete
  • Dichtere Schichten dank Sputtern bei < 1 x 10-2 mbar
  • Häufigstes Verfahren bei FHR

Dünne Schichten mittels Kathodenzerstäubung

Permanentmagnete erhöhen die Teilchendichte

Allen Sputterverfahren ist gemein, dass ein Bombardement schwerer Ionen, meist Argon, kontinuierlich Material vom Target abträgt, so dass es sich auf dem Substrat niederschlagen kann. Allerdings gibt es im Restgas ohne weiteres Zutun nur wenige Ionen, weil es einerseits im

Vakuum ohnehin wenige Teilchen gibt und andererseits der Anteil thermisch angeregter Ionen bei Raumtemperatur gering ist. Eine Erhöhung der Ionendichte ist jedoch nötig, um die hohen geforderten Abscheideraten von einigen 10 nm/min zu erreichen.

Beim Magnetron-Sputtern (Bild links) bringt man Permanentmagnete hinter das Target, um die Ionendichte vor dem Target zu erhöhen: Das Magnetfeld zwingt vorhandene freie Elektronen auf Spiralbahnen um seine Magnetlinien. Der Weg der Elektronen zur Anode wird verlängert und damit auch die Zeit, während der sie Ar-Atome ionisieren können; besonders dort, wo das Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld steht. Die erzeugten Ar-Ionen hingegen werden vom Magnetfeld wegen ihres hohen Gewichts kaum beeinflusst und beschleunigen nur in Richtung des Targets, wo sie zum angestrebten Abtrag führen.

Den deutlichen Einfluss der erhöhten Ionendichte durch das Magnetfeld kann man an bereits verwendeten Targets (Bild Mitte) in Form des Sputtergrabens sehr gut erkennen.

Ein weiterer Vorteil des Magnetron-Sputterns ist, dass man mit einem geringen Druck von etwa 5 x 10-3 mbar arbeiten kann, wo die mittlere freie Weglänge schon etwa 20 mm erreicht. Dadurch streut der Teilchenstrom aus Targetatomen kaum und hat noch auf dem Substrat seine hohe Ausgangsenergie, was zu besonders dichten Schichten führt (Bild rechts).

Ma­gne­tron im Quer­schnitt – im Ma­gnet­feld der Per­ma­nent­ma­gne­te wer­den mehr Io­nen er­zeugt, wo­mit der Ab­trag lo­kal steigt und ein Sput­ter­gra­ben er­zeugt wird
Erosionsprofil (oder auch Sputtergraben) an einem Planartarget (oben) als Ergebnis des Ionenbeschusses im Plasma (unten)
Je ge­rin­ger der Druck, des­to we­ni­ger wer­den die Tar­get-Ato­me ge­streut oder ge­bremst

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