Herstellen Dünner Schichten - Aufdampfen/Kondensieren

Publikationen 2005-1 Verdampfen, Aufdampfen, Kondensieren Georg N. Strauss Stefan Schlichtherle PhysTech Coating Technology GmbH Pflach/Austria

Hans K. Pulker Institut für Ionenphysik, AG: Dünnschichttechnologie Universität Innsbruck, Innsbruck/Austria

PhysTech Coating Technology GmbH Kohlplatz 7, Innovationszentrum A-6600 Pflach [email protected] www.phystech-coating.com

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Herstellen Dünner Schichten - Aufdampfen/Kondensieren

1. Verdampfen, Aufdampfen und Kondensieren Georg N. Strauss, Stefan Schlichtherle PhysTech Coating Technology GmbH, Kohlplatz 7, Innovationszentrum, A-6600 Pflach email: [email protected], internet: www.phystech-coating.com Zur Herstellung keramischer (dielektrischer) und metallischer Dünnschichten stehen eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung, die sich in zwei Hauptgruppen gliedern lassen. Dies sind zum einen die PVD-Verfahren (physical vapor deposition) und zum anderen die CVD-Verfahren (chemical vapor deposition). Unter den Begriff PVD werden Beschichtungsverfahren verstanden mit denen Metalle, Legierungen oder chemische Verbindungen durch Zufuhr thermischer Energie oder durch Teilchenbeschuss im Hochvakuum abgeschieden werden. Die Hauptanwendungsgebiete der PVD-Prozesse liegen in dünnen Schichten für optische, optoelektronische, magnetische und mikroelektronische Bauelemente. Weitere Anwendungen liegen auf den Gebieten der Tribologie, dem Korrosionsschutz, der Wärmeisolation, den dekorativen Schichten u.v.a.m. Die PVD-Verfahren zeichnen sich unter anderem aus durch: • die Vielfalt der beschichtbaren Substratmaterialien wie Metalle, Legierungen, Keramik, Glas, Kunststoffe etc, und • eine nahezu uneingeschränkte Auswahl an Beschichtungsmaterialien, wie Metalle, Legierungen, Halbleiter, Metalloxide, Carbide, Nitride, Cermets, Sulfide, Selenide, Telluride etc • freie Wahl der Substrattemperatur • hervorragende Schichthaftung • einfache Beeinflussbarkeit der Mikrostruktur durch die Wahl der Prozessparameter Die Nachteile der PVD-Verfahren sind: • vergleichsweise geringe Beschichtungsraten und Schichtdicken • technisch anspruchsvolle Prozesse (Vakuumtechnik) • Beschichtung geometrisch komplexer Bauteile ist schwierig Die bedeutensten PVD-Verfahren sind: • Thermisches Verdampfen im Hochvakuum • Kathodenzerstäubung (sputtering) • Ionenplattieren (IP) • Arc Source Verdampfung Die CVD Verfahren verwenden Prozesse, bei denen chemische Reaktionen in der Gasphase bei Drücken von 0,01 bis 1bar und Temperaturen von etwa 200 bis 2000°C unter Zufuhr von Wärmeund/oder Strahlungsenergie ablaufen und dabei Festkörperprodukte und flüchtige Nebenprodukte bilden. Die einzelnen Gaskomponenten werden zusammen mit einem inerten Trägergas (meist Argon) durch eine Reaktorkammer geleitet, in der der Festkörper durch eine heterogene Reaktion als Schicht oder durch eine homogene Reaktion als Pulver abgeschieden wird. Die CVD-Verfahren werden zur Herstellung von Schichten aus refraktären und anderen Metallen, Halbleitern, Boriden, Carbiden, Nitriden und Oxiden verwendet. Dem Vorteil, dass viele Materialien nahezu theoretischer Dichte, guter Haftfestigkeit, gleichförmig und mit großer Reinheit aufgebracht werden können, steht der Nachteil gegenüber, dass nicht für jedes gewünschte Schichtmaterial passende Reaktionen existieren, das Substrat der (meist hohen) Reaktionstemperatur standhalten und den Reaktanden gegenüber chemisch stabil sein muss. Vier grundsätzliche Reaktionstypen werden unterschieden: • Chemosynthese (Reaktionen mit Gasen) • Pyrolyse (Thermische Zersetzung) • Disproportionierung • Photopolymerisation

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Herstellen Dünner Schichten - Aufdampfen/Kondensieren

1. Grundlagen des Bedampfungsprozesses Die Aufbringung dünner schichten unter Vakuum nach dem PVD Verfahren verläuft grundsätzlich über drei Stufen: 1. die Überführung des Schichtmaterials in den gasförmigen Zustand, 2. den Transport des Dampfes durch die verdünnte Gasatmosphäre zwischen der Quelle und dem Substrat und 3. die Kondensation des vor dem Substrat angelangten Dampfes auf dessen Oberfläche und die Ausbildung einer dünnen Schicht. Beim Bedampfungsprozess wird die zu verdampfende Substanz im Vakuum in einem geeigneten Behälter (Keramiktiegel; Ta-Schiffchen, W-Drahtspirale etc.) durch Energiezufuhr (Stromwärme, Elektronenstrahl, Laser, Bogenentladung u.a.) auf eine hinreichend hohe Temperatur erwärmt. Die thermisch freigesetzten Atome oder Moleküle verlassen die Oberfläche des Verdampfungsgutes und kondensieren als Schicht auf den Substraten und den umgebenden Wänden. Da der Prozess üblicherweise im Hochvakuum (p