PVD-Beschichtungen: Thermische Verdampfung und Sputtering-Beschichtung

PVD-Beschichtungsverfahren nutzen physikalische Prozesse, um dünne Schichten auf Oberflächen aufzubringen. Diese Schichten bieten eine äußerst bequeme Möglichkeit, wünschenswerte Oberflächeneigenschaften zu erzielen, ohne das Material eines Produkts vollständig verändern zu müssen. Die Schichten können so dünn sein wie ein Tausendstel Nanometer und können alle Arten von Oberflächen so verändern, dass sie korrosionsbeständig werden, die Reibung verringern, die Härte erhöhen und vieles mehr.

In diesem Artikel werden wir uns mit den beiden gängigsten Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung befassen, die für PVD-Beschichtungen verwendet werden: die thermische Verdampfung und die Sputtering-Beschichtung.

PVD-Verfahren 1: Thermisches Verdampfen

Thermische Energie wird verwendet, um das Zielmaterial zu verdampfen, so dass es für die Abscheidung einer dünnen Schicht auf dem Substrat verwendet werden kann. Zu den abgeschiedenen Materialien können reine Metalle, Nichtmetalle, Oxide und Nitride gehören. Dieses Verfahren bietet ein hohes Maß an Kontrolle über die Schichteigenschaften wie Dicke, Haftung, Spannung und Kornstruktur. Im Vergleich zu anderen PVD- und CVD-Verfahren hat die thermische Verdampfung eine der höchsten Abscheideraten.

Ein typisches thermisches Verdampfungssystem besteht aus den folgenden Komponenten:

  • Substrat(e) und Ziel
  • Wärmequelle
  • Vakuumpumpe
  • Druckregler / Schieberventil
  • Überwachung der Ablagerungsrate
  • RGA (optional)

Die thermische Verdampfung erfordert ein sehr hohes Vakuum von etwa (1×10-6  bis 1×10 -9 Torr). Das erforderliche Vakuumniveau hängt von den Reinheitsanforderungen und der erforderlichen mittleren freien Weglänge ab. Die folgenden drei Schritte sind allen thermischen Verdampfungsanlagen gemeinsam, auch wenn sie sich in einigen Aspekten wie dem Vakuumniveau unterscheiden:

  1. Verdampfung: Das Zielmaterial wird zunächst in einen Schmelztiegel am Boden der Vakuumkammer gegeben. Eine Wärmequelle (Wolframfaden oder Elektronenstrahl) wird dann verwendet, um das Zielmaterial in Dampf zu sublimieren oder zu sieden.
  2. Transport vom Zielobjekt zum Substrat: Das verdampfte Targetmaterial bildet eine Dampffahne, die zum Substrat wandert, das direkt über dem Target installiert ist. Durch die Aufrechterhaltung eines stabilen Hochvakuums wird sichergestellt, dass die Umgebung frei von Verunreinigungen ist, und ein mittlerer freier Weg sorgt für eine praktisch kollisionsfreie Reise der Dämpfe vom Target zum Substrat.
  3. Abscheidung und Keimbildung: Da die Oberfläche des Substrats eine relativ niedrige Temperatur hat, kondensieren die Dämpfe, wenn sie mit ihr in Kontakt kommen. Auf die Kondensation folgt die Keimbildung, wodurch die erste Dünnschicht entsteht. Dieser Prozess wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

Thermische Verdampfungsmethoden

Auch bei der thermischen Verdampfung gibt es Unterarten, die sich durch die Methode der Verdampfung des Zielmaterials unterscheiden. Zu den Verfahren gehören die Molekularstrahlepitaxie (MBE), die Elektronenstrahlabscheidung, die Blitzverdampfung und die Widerstandsverdampfung.

Gemeinsame Anwendungen

Die thermische Verdampfung wird am häufigsten zur Abscheidung elektrisch leitender Metallschichten auf Solarzellen, OLED-Displays und Dünnschichttransistoren verwendet. Es wird auch bei der Herstellung von Aluminium-PET-Folien verwendet.

PVD-Verfahren 2: Sputtering-Abscheidung

Die Sputtering-Beschichtung ist ein Sichtlinienverfahren wie die thermische Verdampfung, bei dem jedoch angeregte Gasmoleküle verwendet werden, um dünne Schichten auf dem Substrat abzuscheiden, und das eine bessere Stufenabdeckung bietet. Mit dieser Methode können Metalle, Nichtmetalle, Legierungen und Oxide abgeschieden werden.

Ein typisches Sputtersystem besteht aus den folgenden Komponenten:

  • Substrat(e) und Ziel
  • Kathode und Anode
  • Massendurchflussregler
  • Druckregler/Schieberventil
  • Vakuumpumpe
  • Quarzkristall

Das Sputtern wird bei einem relativ niedrigen Vakuum von 0-0,03 Torr durchgeführt, und Argon ist aufgrund seines hohen Molekulargewichts das am häufigsten verwendete Gas. Es folgen die drei grundlegenden Schritte der Sputtering-Beschichtung:

  1. Verdampfung: Das Target wird mit der Kathode verbunden, was dazu führt, dass die freien Elektronen vom Target weg beschleunigt werden. Diese Elektronen stoßen dann mit den Argonmolekülen zusammen, wobei Elektronen aus den äußersten Schalen herausgeschlagen werden und positiv geladene Argon-Ionen übrigbleiben (verantwortlich für das Plasmaglühen). Während die Argon-Ionen zur Kathode hin beschleunigen und mit dem Target kollidieren, stoßen sie Targetmoleküle ab (Sputtern).
  2. Transport vom Target zum Substrat: Die Targetmoleküle absorbieren einen Teil der kinetischen Energie der Argon-Ionen, treiben sie zum Substrat und bilden einen Dampfstrom. Ein stabiles Vakuum ist in dieser Phase entscheidend, um eine hochwertige Dünnschicht zu gewährleisten.
  3. Filmwachstum: Die gesputterten Zielmoleküle haften auf dem Substrat und bilden die Dü Die Abscheiderate kann durch Steuerung der Durchflussrate des Inertgases optimiert werden.

Sputtering-Methoden

Die verschiedenen Sputterverfahren wie Hochfrequenz-, Gleichstrom-, gepulster Gleichstrom- und Magnetronsputtern werden nach der Art der verwendeten Stromversorgung unterschieden. Ein spezielles Verfahren namens reaktives Sputtern wird für die Abscheidung chemischer Verbindungen verwendet.

Gemeinsame Anwendungen

Die früheste Anwendung des Sputterns ist die Herstellung von Computerfestplatten. Heute wird das Sputtern in großem Umfang bei der Verarbeitung integrierter Schaltkreise, bei der Herstellung von mit Antireflexions- oder hochemittierenden Schichten beschichtetem Glas, bei der Beschichtung von Schneidwerkzeugen und bei der Beschichtung von CDs und DVDs eingesetzt.

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