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Physikalische Gasphasenabscheidung

Festes Ausgangsmaterial (Target) wird verdampft, kondensiert an Substrat udn bildet Schicht

Prozess muss im Vakuum stattfinden

Thermisches Verdampfen:

• Elektischer Strom
• Elekronenstrahl
• Laserstrahl
• Lichtbogen

Sputter- oder Zerstäuberungsverfahren

• Magnetron Sputter
• Ionenstrahl Sputter

Kombiniertes Verfahren

Targetmaterial wird im Vakuum bis Atome oder Atomcluster die Overfläche des Materials verlassen gehalten

Schlagen sich als Schicht auf Substrat ab

In Kammer Hochvakuum, danach wird inertes Prozessgas eingelassen (z.B. Argon)

Am Target wird eine negative Spannung angelegt und ein Glimmentladungsplasma gezündet

Freigesetzte Elekronen ionisierne Inertgasatome -> weitere Elekronen werden frei

Positiv geladene Ar-Ionen werden durch die negative Spannung zum Target beschleunigt und schlagen beim Auftreffen Atome heraus

Sputterrate S beschreibt das Verhältnis der herausgeschlagenen zu den auftreffenden Teilchen

Abhängig vom atomaren Bindungskräften der Targetatome, der Energie und dem Einfallswinkel der aufreffenden Ionen

1. Verdampfung: Festes Ausgangsmaterial in Target- pder Pulvervor wird in einer Vakuumkammer in die Gasphase gebracht
2. Transport: Bewegung der Teilchen in der Gasphase, teils in einem Plasma, von der Kathode weg, u.a. Richtung Substrat
3. Kondensation und Schichtwachstum: Auftreffen und Anlagerung der Schichtteilchen von Keimen und Schichten

Während des Transportes stoßen die Teilchen des Schichtwerkstoffes mit anderen Gasteilchen oder der Wand zusammen, wodurch sie Energie verlieren, die für Schichtbildung und haftung wichtig ist

Mittlere freie Weglänge Lambda: mittlere Strecke, die ein Teilchen zurücklegt bevor es mit anderen Teilchen zusammenstößt

Wichtigster Faktor ist der Druck (Anzahl Teilchen in Vakuumkammer)

Temperatur hat einen Einfluss, da bei hoher Temp. schnellere Teilchen

Gasart, da größerer Teilchenradius einen Zusammenstoß wahrscheinlicher macht

Durch Anlagen einer negaitven Spannung (Bias-Spannung) an das Substrat werden die schichtbildenen, positiven Ionen zum Substrat beschleunigt -> Anzahl Wandstöße wird reduziert -> Teilchen treffen mit höherer Energie auf -> dickere Schicht

Teilchen: Masse, chem. Zusammensetzunng, Energie, Geschwindigkeit, Stoßrate, Einfallswinkel

Substrat: chem. Zusammensetzung, Temp, Rauheit

Reinigen

Chargieren

Evakuieren

Plasmaätzen

Beschichten

Abkühlen/Belüften

--> Verweilzeit in Anlage, dann

Dechargieren

Substrate in die richtige Position bringen

Möglichst viele Substrage aufnehmen

Eventuelle Stellen abdecken, die nicht beschichtet werden sollen

Elektrischer Kontakt zum Tisch herstellen

Hohe Temperaturen

Vakuumatmosphäre ohne Schmierung

Mehrfache Beschichtungen

Abrasive Beansprichung durch Strahlmittel

Angriff durch Säuren und Laugen währen der Reinigung

Ungleichmäßige Schickdickenverteilung

Ungleichmäßige Spannungsverteilung durch überhöhte Schichtdicke

Mehrere Drehachsen zur gleichmäßigen Beschichtung

Möglichst geringe Abschattung der Substrate untereinander bei gleichzeitig optimaler Ausnutzung des Kammervolumens

ggf. geneigte Drehacse zur Kontrolle der Schichtdickenverteiltun

Möglichst einfach Handhabung

b

Um die Stoßrate bei der Kathodenzerstäubung zu erhöhen, ist hinter dem Target ein Permanentmagnet -> Elektronen bewegen sich auf einer Kreisbahn und stehen länger zur Ionisierung des Plasmas zur Verfügung

An der Stelle diese Rings wird das Target bevorzugt abgetragen

Ionisationsgrade < 5% für Gleichstrom

Lichtbogen wird über Target gezündet nud regellos oder kontrollliert über das Target geführt -> Material schmilzt und verdampft

Ionisuenrgsgrad bis 90%

Glühkathode emittiert Elektronen -> werden durch Fokussierelektrode gebündert und zur Anode gelektn

Elektronen treffen auf Target und kin. Energie wird in Wärme umgewandelt -> Verdampfen

Keine Ionen im Dampf

1

Hohe Ionisation des abgeschiedenen Spendermaterials

Dichte Schichtmikrostruktur

Gleichmäßige Schichtdickenverteilung auch in Hohlräumen und an Kanten, d.h. Reduzierung der Schichtlinencharakteristik

Gasförmige Edukte werden in Reaktor geleitet -> Reaktion auf dem Substrat zu Schicht

Halbleiterschichten in der Mikro- und Optoelektronik und in Solarzellen

Werkstoffherstellung

Faser- und Pulverbeschichtungen in der Werkstoffherstellung

Kratzschutz transparenter Kunststoffteile

Diffusionsbarrieren auf Kunststofffolien und -flaschen für Verpackungsindustrie

Verschleiß und Korrosionsschutz sowie Reibminderung für Werkzeuge und Bauteile (SiC, BN, TiN, Al2O3, DLC, Diamant)

Am wichtigsten: flüchtigen Precursor, die die SChichterkstoffkombination enthalten

Falls Precursor bei Raumtemperatur nicht gasförmig -> Verdampfen/Verneben

Wasserstoffreduktion: H2 -> HF oder HCl; Dadurch sollen vor alllem Schichten aus (reinem) V,Nb,Ta;Cr,W,Si und B hergestellt werden

Koreduktion: binäre Verbindung z.B. keramische Materialien werden hergestellt

Metallreduktion: Elemente mit einer hohen Affinität zu Chlor anstelle von Wasserstoff werden eingesetzt, die die Halogenide von Ti, Tr, und Hf reduziert werden können

Oxidations- und Hydrolysereaktionen: O2 und CO2 dienen als Reaktionsgase, um z.B. Oxide wie SiO2 oder Al2O3 herzustellen

Karbidisierung und Aufstickung: Durch Reaktion von Kohelnwasserstoffgasen (Methan) bzw. Ammoniak können Karbide bzw. Nitride hergestellt werden

Alternativen zur Chemosynthese:

Pyrolyse

Disproportierung

Metallorganische Verbindungen (MO)

Thermisch: Substratheizung, Ofenheizung, Molekularstrahl, Hot Filament

Plasma: Gleichstrom, Mittelfrequenz-Pulsen, Hochfrequenz, Mikrowellen, Ionenstrahl

Photonen: UV-Licht, Laser

Kann auch nach Druck eingeteilt werden:

Normaldruck :AP-CVD

Niederdruck: LP-CVD

Ultrahochvakuum: UHC-CVD

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Glimmentladung wird zur Aktivierung der Precursor benutzt -> notwendige Aktivierungsenergie kann reduziert werden

Mehr Druck als bei PVD -> komplizierte Geometrien können homogen beschichtet werden

+ einfach Chargierung

+ gleichmäßige Schichtdicke bei komplexen Geometrien; keine Drehung notwendig

+ technischer Aufwand geringer (Vakuum, Netzteile)

+ erreichbare Schichtdicke größer

- weniger Schichtmaterialien

- teilweise hohe Temperaturen

- Kontamination der Schicht und Substrat durch Nebenprodukte

- Umweltbelastung/Sicherheit

- Schichtqualität (Zugspannung in der Schicht)

- Einschränkung bei den Substratgeometrien

Thermisches Füge- oder Beschichtungsverfahren

Lot schmilzt

Grundwerkstoffe bleiben fest

Verbindung durch Diffusion

Je nachdem wann das Lot gescmolzen ist:

Weichlöten: < 450°

Hartlöten: > 450°

Hochtemplöten: > 900°

Gute Festigkeit bei RT

Korrosionsbeständig gegenüber Warmwasser (O2;-CO2 arm) und Trinkwasser (Cl-Gehalt), eingeschränkt gegenüber sauren Medien

Kostengünstig

Oxidationsunempfindlich

Einlöten von Hartmetallen und Diamant möglich

Atmosphären: Schutzgas, Vakuum; Luft (Flussmittel)

Lötverfahren: HT-Löten; eingeschränkt: Hartlöten

Hohe Korrosionsbeständigkeit

Hohe Oxidatinsbeständigkeit auch bei erhöhter Temp.

Sehr hohe Festigkeit

Hohe Anforderungen an Konstruktion und Einhaltung der Prozessparameter

Atmosphäre: Schutzgas; Vakuum

Lötverfahren: Hochtemplöten

Fugenlöten ( > 500µm)

Spaltlöten (< 500µm)

Auftraglöten: Es gibt kein oberes Werkstück

Diffusionslöten: Diffusion bis Lötnaht homogenisiert ist