Alles, was man über Ionenstrahlzerstäuben wissen muss

Dünne Schichten unter­schied­lichster Materialien mit Schicht­dicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in einer Vielzahl von techno­logischen Anwen­dungen, beispiels­weise in der Optik, Photo­voltaik oder Mikro­elektronik. Die technolo­gischen Anfor­derungen beim Her­stellungs­prozess steigen stetig und demzufolge auch die Anforde­rungen bezüglich der Schicht­eigen­schaften und deren gezielte Variation zur An­passung an unter­schied­lichste An­wen­dungen. Gerade Letzteres ist eine große Heraus­forderung und in der Regel nur durch die Ver­wen­dung ent­spre­chender, meist mehrerer verschie­dener Abscheide­verfahren umsetzbar.

Ein gängiges und seit mehreren Jahr­zehnten auch kommerziell genutztes Ver­fahren zur Ab­scheidung dünner Schichten ist das Ionen­strahl­zerstäuben. Hierbei wird ein Target, welches Material zum Aufbau der Schichten enthält, mit Ionen beschossen. Bei diesem als Zerstäuben oder Sputtern bezeichneten Vorgang werden Target­teilchen abgetragen, die sich dann auf einem Substrat als Schicht abscheiden.

Trotz der vielfältigen Anwendung, fehlten bisher umfassende systematische Unter­suchun­gen zum Prozess, die Auf­schluss zu den Zu­sammen­hängen zwischen Prozess­para­metern, Teilchen­eigen­schaften und Schicht­eigen­schaften geben.

Wissenschaftler des IOM haben sich erstmals mit diesen Frage­stel­lungen beschäftigt und dabei erstaun­liche Erkennt­nisse gewonnen. So werden die Teilchen- und die Schicht­eigen­schaften im Wesent­lichen durch die Wahl der Ab­scheide­geo­metrie und der Ionen­sorte bestimmt. Durch geeig­nete Wahl dieser Para­meter können Schicht­eigen­schaften über einen großen Variations­bereich gezielt ein­gestellt werden, wie etwa struktu­relle Eigen­schaften, Ober­flächen­rauigkeit, Zusammen­setzung, Massen­dichte, Schicht­spannung, optischer Brechungs­index oder elek­trische Leit­fähig­keit.

Die IOM Wissenschaftler Carsten Bundesmann und Horst Neumann haben diese neuen Erkennt­nisse sowie die für das Ver­ständ­nis des Ionen­strahl­zer­stäubens erforder­lichen Grund­lagen in einem Tutorial-Beitrag im Journal of Applied Physics ver­öffent­licht. Ein allge­meiner Über­blick über die Syste­matik, den Versuchs­aufbau und die grund­legenden phy­sika­lischen Aspekte dieser De­posi­tions­technik soll den Lesern helfen, Experi­mente nach ihren indi­vi­duellen Zielen zu gestalten und das Poten­tial der Abscheide­methode voll aus­zu­schöpfen.

Die Beschreibung der Vorzüge des Ionen­strahl­zer­stäubens gegenüber anderen physi­kali­schen Gas­phasen-Depositons­verfahren ist ein starkes Plädoyer für dessen breite Anwen­dung. Ins­beson­dere die Möglich­keit, mit einem einzelnen Ab­scheide­ver­fahren einen sehr großen An­wen­dungs­bereich mit variablen An­forde­rungen ab­zu­decken, ist von beson­derer Bedeutung.

Als nächstes Ziel wollen die Autoren nun in Zu­sam­men­arbeit mit aka­demi­schen und indus­triellen Partnern die Opti­mierung dieser Technik auf der Grund­lage des er­arbei­teten Wissens angehen.

IOM / AIP / LK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Bundesmann et al.:Tutorial: The Systematics of Ion Beam Sputtering for Deposition of Thin Films with Tailored Properties, J. Appl. Phys.124, 231102 (2018); DOI: 10.1063/1.5054046
• Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. (IOM), Ionenquellenentwicklung und Anwendungen