Durch Zerstäubung Neues schaffen

Die PVD-Technologie (Physical Vapor Deposition) bringt dünne Schichten im Mikrometerbereich auf Materialien unterschiedlichster Qualitäten auf. Hierzu wird ein Materialblock, der aus dem aufzubringenden Schichtmaterial besteht, im Vakuum physikalisch verdampft. Die atomaren Teilchen aus dem entstandenen Gasgemisch setzen sich auf dem Substrat ab.

Bei plasmagestützten PVD-Prozessen wird eine Kathode durch den Beschuss mit Ionen zerstäubt. Dieses sogenannte Sputter- oder Zerstäubungs-Verfahren läuft bereits bei Raumtemperaturen ab. Der PVD-Prozess unterteilt sich in die drei Phasen: Zerstäubung, Diffusion und Schichtwachstum.

Schema: Prinzip der PVD bei der Großflächenbeschichtung
Prinzip der PVD bei der Großflächenbeschichtung

Zerstäubung

In einer Vakuum-Reaktionskammer befindet sich das nicht reaktive Edelgas Argon. Dort wird eine geeignete Gleich-, Mittel- oder Hochfrequenz-Spannung angelegt. Über der Kathode (Target), die aus dem Beschichtungs- material besteht, entzündet sich ein Niedertemperatur- plasma. Positiv geladene Argon-Ionen werden im elektrischen Feld zur Kathode hin beschleunigt. Beim Aufprall schlagen diese Ionen Teilchen aus dem Kathodenmaterial. Dieses wird mit der Zeit nahezu vollständig zerstäubt.

Diffusion

Die aus dem Target herausgelösten Atome verteilen sich wie ein Gas im Raum. Bei geeigneter Anordnung von Kathode und Substrat bewegen sich die Beschichtungsteilchen zum Substrat hin.

Schichtwachstum

Ein gewisser Prozentsatz der gesputterten Atome trifft auf das Substrat auf und lagert sich dort ab. In der Regel sollen kristalline Schichten, in Einzelfällen auch amorphe Schichten, entstehen. Gerade für das Wachstum sehr reiner kristalliner Schichten müssen mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein. Die geeignete Substrattemperatur und die richtige kinetische Energie der auftreffenden Teilchen zählen hierzu.

Die Schichtatome brauchen darüber hinaus ausreichend Zeit um sich in regelmäßigen Kristallgittern anzuordnen. Um flächendeckend ein gleichmäßiges Schichtwachstum zu erzielen, bewegen sich planar zu beschichtende Substrate mit einer Geschwindigkeit der Größenordnung Meter pro Minute an der zu zerstäubenden Kathode vorbei. Bei einer dreidimensional aufzubringenden Schicht führt das Substrat beispielsweise eine Rotationsbewegung vor der Kathode aus, um die Beschichtung von allen Seiten zu ermöglichen.

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