Kathodenzerstäubung, Sputtern

  • Kathodenzerstäubung, Sputtern

    Eine alternative Methode der Metallbeschichtung besteht in der Technik der Kathodenzerstäubung, die auch Sputtern genannt wird.

    Hierbei wird das Material zur Abscheidung nicht durch Erhitzen verdampft, sondern durch den Beschuss mit hochenergetischen Ionen aus der Quelle gelöst. Die freien Atome bzw. Moleküle des Quellmaterials gelangen daraufhin zum Substrat, wo sie sich ablagern. Auf ihrem Weg werden sie dabei häufig in Stoßprozesse verwickelt, da das Verfahren unter höherem Druck als beim Aufdampfen erfolgt. Ihre Bewegung wird somit abgelenkt, wodurch auch senkrechte Flächen erreicht werden können, die Konformität K der Abscheidung also höher ist.

    Für den Beschuss des Quellmaterials (der Kathode) wird ein Gas (meist Argon) in einer elektrischen Entladung ionisiert, so dass es daraufhin gezielt beschleunigt werden kann.

    Man unterscheidet im Speziellen zwischen dem passiven, auch inert genannten, sowie dem reaktiven Sputtern:

    Passives (inertes) Sputtern: Hier wird ausschließlich das Metall, das durch Ionenbeschuss abgelöst wird, auf dem Wafer niedergeschlagen. Die Schicht kann in sehr guter Reinheit erzeugt werden.

    Reaktives Sputtern: Hier werden in die abgeschiedene Schicht zusätzlich Komponenten aus einer Gasumgebung integriert. Beispielsweise lässt sich durch Oxidationsreaktion des Metalls in Sauerstoffatmosphäre eine isolierende Schicht wie z.B. Aluminiumoxid Al2O3 auftragen.

    Durch das sogenannte Gleichstrom-Sputtern („DC-Sputtern“) werden reine Metall-Schichten aufgetragen. Die Ionen gewinnen dabei in einem starken statischen elektrischen Feld von bis zu 2 kV ihre Energie, mit der sie dann auf die Kathode aufschlagen. Die dadurch von den Ionen deponierte Ladung, würde nachfolgende Teilchen abstoßen. Um diese Ladung abfließen lassen zu können, muss das Kathodenmaterial, das zur Abscheidung verwendet wird, also leitfähig sein.

    Abb. 37: Prinzip einer Anlage zur Kathodenzerstäubung

    Diese Einschränkung wird bei der Anwendung des Hochfrequenz-Sputterns (HF-Sputtern) umgangen, mit der somit auch nichtleitfähige Targetmaterialien wie Metalloxide aufgebracht werden können. Hier setzt man die Ionen zur Beschleunigung einem hochfrequenten Wechselfeld aus, das von einer Elektrode hinter dem isolierenden Target und einer seitlich umgebenden Abschirmung erzeugt wird (Abb. 37).

    In dem Umgebungsgas, können sich aufgrund der erfolgten Ionisation viele Elektronen unabhängig bewegen. Diese werden während eines Zykluses des Wechselfeldes zunächst zur Kathode gezogen, solange die positive Spannung anliegt. Nach der erfolgten Feldumpolung können diese Elektronen jedoch nicht mehr aus der Kathode austreten, da dazu nicht genügend Energie zugeführt wird. Es wird also negative Ladung im Target gesammelt, durch die die Ionen nun effektiv angezogen werden, die daraufhin das Targetmaterial freischlagen.

    Das Magnetron-Sputtern stellt eine Verfeinerung dieser Technik dar. Über statische Magnetfelder wird hier die Bewegung der Teilchen auf enge Kreisbahnen gezwungen. Sie schlagen dadurch wiederholt auf das Target auf, wodurch wesentlich mehr Material ausgeschlagen wird und die Abscheidung deutlich beschleunigt werden kann.

    Mit einer Abwandlung, die man Bias-Sputtern nennt, lässt sich eine gleichförmigere Abscheidung an Kanten erreichen. Durch negative Polung des Wafers bewirkt man hier, dass dieser ebenfalls dem Ionenbeschuss und somit der Materialabtragung ausgesetzt wird. Scharfe Übergänge bei der Abscheidung werden dadurch entschärft. Das zusätzliche elektrostatische Feld muss dabei natürlich so bemessen sein, dass dadurch im Vergleich zum angelagerten Material nur eine geringe Menge wieder abgetragen wird.