• Button
    • captcha
      Neu laden
Durch technische Entwicklungen ist heutzutage bei der Dünnschichtabscheidung die Auswahl von geeigneten Methoden nicht immer einfach und überschaubar.

Ob ein Material mit Verdampfen, Sputtern oder chemischen Verfahren deponiert werden soll, hängt nicht nur von den Materialeigenschaften und beabsichtigten Anwendungen ab, sondern auch von dem technischen Aufwand sowie den Betriebskosten.

Manchmal wird sogar ein Hybridprozess benötigt, um die Vorteile verschiedener Methoden zu kombinieren.




Thermisches Verdampfen
Thermisches Verdampfen ist wahrscheinlich das einfachste PVD-Verfahren (physikalische Gasphasenabscheidung) für das Wachstum von Dünnschichten. Durch die Wärmeübertragung vom Heizsystem bilden die Atome oder Moleküle eines Ausgangsmaterials (Verdampfgut) eine Gasphase und sie kondensieren anschließend auf einem gegenüberliegenden Substrat zu einer Dünnschicht. Zu diesem Prozess gehören Vaporisation, wenn ein Feststoff zuerst schmilzt und dann zur Gasphase umgewandelt wird, und Sublimation, wenn die Feststoff-Gasphase-Umwandlung direkt stattfindet. Hohe Depositionsraten, Hochvakuumbedingungen und vielseitige Anwendbarkeit machen dieses Verfahren zu einer weit verbreiteten Methode zur Dünnschichtabscheidung.

Es sind im Prinzip zwei Ausführungen von Verdampferquellen vorhanden ― elektrische Verdampfer und Elektronenstrahlverdampfer. Beim elektrischen Verdampfer werden Widerstands- oder Induktionserhitzer verwendet, die das ganze Ausgangsmaterial auf eine Temperatur in der Nähe des Siedepunkts erhitzen. Solch ein Verdampfer kann verschiedene Konfigurationen, wie zum Beispiel Glühwendel, Schiffchen und Tiegel, aufweisen. Ein Nachteil dieser Art Verdampferquelle ist die Gefahr für Kontaminationen mit dem Behältermaterial, insbesondere bei einer Temperatur in der Nähe des Siedepunkts. In dieser Hinsicht ist der Elektronenstrahlverdampfer sicherlich von Vorteil. Dabei werden Elektronen von geheiztem Filament emittiert und durch das elektrische und magnetische Feld auf das zu verdampfende Material gelenkt und beschleunigt. Durch Stöße wird die kinetische Energie der Elektronen an das Material übertragen. Der kontaminationsfreie Prozess wird dadurch ermöglicht, dass beim Elektronenstrahlverdampfen nur ein kleiner Anteil des Ausgangsmaterials zur Vaporisation oder Sublimation kommt und es besteht daher kein direkter Kontakt zwischen dem zu verdampfenden Material und dem Behälter.

Sputterdeposition
Neben thermischem Verdampfen aufgrund der Absorption von thermischer Energie können Atome auch mittels Sputtern (auch Kathodenzerstäubung), d. h. Oberflächenbeschuss durch energetische Teilchen, das Ausgangsmaterial verlassen. Ähnlich wie beim Verdampfen wandern die herausgeschlagenen Atome durch die Vakuumkammer und kondensieren atomar auf einem Substrat. Das zu zerstäubende Ausgangsmaterial ― auch Target genannt ― dient als die Kathode, an der eine DC- oder RF-Spannung angelegt wird, während das Substrat als die Anode, die gefloatet, geerdet oder elektrisch vorgespannt wird, dient. Um die Gasentladung (auch Plasma) zu initiieren, wird die Vakuumkammer mit Prozessgas, typischerweise mit Argon, befüllt und eine elektrische Spannung zwischen der Kathode und der Anode angelegt. Die positiv ionisierten Gasatome werden anhand des Potentialabfalls auf das Target beschleunigt und die Materialteilchen herausgeschlagen, die anschließend auf dem Substrat kondensieren und die gewünschte Schicht bilden.

Es gibt einige unterschiedliche Varianten der Sputterdeposition, nämlich das DC-, RF-, reaktive und Magnetronsputtern. Es handelt sich hierbei jedoch um verschiedene Aspekte dieses Verfahrens und die Varianten werden in der Praxis oft kombiniert. Außer hohen Depositionsraten und der Möglichkeit zur Beschichtung großer Flächen gibt es noch weitere Vorteile vom Sputtern. Es ermöglicht die Deposition von Materialien mit hohen Verdampfungstemperaturen sowie eine Abscheidung von Verbindungen mit stark unterschiedlichen Dampfdrücken der Einzelkomponenten. Außerdem weisen mittels Sputtern abgeschiedene Schichten in der Regel eine niedrige Rauhigkeit, hohe Dichte und laterale Homogenität sowie eine gute Haftung auf dem Substrat auf. Mit diesem Verfahren können eine große Auswahl von Materialien abgeschieden werden, die heute fast alle als kommerzielle Targets verfügbar sind. Die Targets lassen sich in verschiedenen Formen, wie zum Beispiel als rechteckige und kreisförmige Scheiben oder als Toroid, gut herstellen. Durch all diese Eigenschaften wird die Sputterdeposition sowohl für die Forschung als auch für die Industrie eingesetzt. Die Beschichtungsdienstleistung, die Alineason bietet, wird hauptsächlich mit dieser Methode ausgeführt.

Laserdeposition
Laserdeposition (auch Laserstrahlverdampfen, engl. Pulsed Laser Deposition, PLD) ist neben dem thermischen Verdampfen und der Sputterdeposition ein weiteres PVD-Verfahren, das sich besonders für das Wachstum qualitativ hochwertiger epitaktischer Schichten eignet. Ursprünglich wurde PLD als eine Variante des thermischen Verdampfens betrachtet, da die Atome ebenfalls durch die Absorption thermischer Energie das Ausgangsmaterial verlassen, außer, dass der Erhitzer in diesem Fall ein Laserstrahl ist. Heute wird PLD aufgrund der substantiellen Unterschiede in den Konfigurationen und Applikationen im Vergleich zum Verdampfen eher als ein individuelles Depositionsverfahren betrachtet.

Im PLD-Verfahren werden Materialien durch gepulste Hochleistungslaserstrahlung, oft im UV-Wellenlängenbereich, von einem Festkörper (Target) abgetragen (engl. ablated). Die Ablation erzeugt ein transientes hochstrahlendes Plasma, das Atome, Ionen oder Elektronen enthält. Der Plasmastrahl dehnt sich vom Target aus und wirkt mit der Kammeratmosphäre zusammen, bis er das Substrat, auf dem die Schicht abgeschieden wird, erreicht. Durch eine Reihe von Vorteilen wird PLD heute sehr oft für Abscheidung dünner Schichten, wie zum Beispiel Dielektrikum und Superleiter, eingesetzt. Der Hauptvorteil liegt darin, dass PLD eine stöchiometrische Abscheidung liefern kann. Die Zusammensetzungen von Targets können, auch wenn das Material eine komplizierte chemische Verbindung aufweist, mittels PLD exakt auf Substrate übertragen werden. Ein weiterer Vorteil ist der kontaminationsfreie Prozess, ermöglicht durch den Einsatz externer Energiequellen. Die diversen epitaktischen Oxidschichten von Alineason werden ausschließlich mithilfe von PLD hergestellt.

Metallorganische Gasphasenepitaxie
Neben den oben erwähnten PVD-Verfahren wird die chemische Gasphasenabscheidung (engl. chemical vapor deposition, CVD) auch weitgehend für die Deposition dünner Schichten eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein chemisches Verfahren, in dem statt Feststoffen (Verdampfgut oder Target) gasförmige Precursor zur Ausbildung der Dünnschicht verwendet werden.

Das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung zeichnet sich durch eine Folge von sequentiellen Ablaufschritten aus. Während des Verfahrens befindet sich das Substrat unter einer kontinuierlichen Gasströmung des Precursors. Chemische Reaktionen in der Gasphase produzieren neue reaktive Spezies und Nebenprodukte in der Reaktionszone. Diese Ausgangsedukte haften anschließend der Substratoberfläche durch chemische oder physikalische Adsorptionen an. Heterogene Reaktionen zwischen den adsorbierten Edukten können durch die Oberfläche katalysiert werden und dies führt zur Nukleation sowie zum Wachstum der Dünnschichten. Danach werden flüchtige Nebenprodukte der Oberflächenreaktionen durch Desorptionsprozesse von der Reaktionszone wegtransportiert.

Metallorganische Gasphasenepitaxie (engl. metal-organic vapor-phase expitaxy), eine der Varianten des CVD-Verfahrens, zählt heute zu den dominierenden Techniken zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente von Verbindungshalbleitern. Diese Methode wird von Alineason für die Epitaxie qualitativ hochwertiger III-V-Halbleiter angewandt.