Sputtern - Sputtering

Ein kommerzielles AJA Orion- Sputtersystem in der Cornell NanoScale Science and Technology Facility

In der Physik ist Sputtern ein Phänomen, bei dem mikroskopisch kleine Partikel eines festen Materials von seiner Oberfläche ausgestoßen werden, nachdem das Material selbst von energetischen Partikeln eines Plasmas oder Gases beschossen wurde . Es kommt natürlich im Weltraum vor und kann bei Präzisionskomponenten eine unerwünschte Verschleißquelle sein . Die Tatsache, dass es auf feinste Materialschichten wirken kann, macht sich jedoch in Wissenschaft und Industrie zunutze – dort wird es zum präzisen Ätzen , zur Durchführung von Analysetechniken und zum Abscheiden von dünnen Filmschichten bei der Herstellung optischer Beschichtungen verwendet , Halbleiterbauelemente und Nanotechnologieprodukte . Es ist eine physikalische Gasphasenabscheidungstechnik .

Physik

Wenn energetische Ionen mit Atomen eines Zielmaterials kollidieren, ein Austausch von Impuls findet zwischen ihnen.

Sputtern einer linearen Kollisionskaskade. Die dicke Linie veranschaulicht die Position der Oberfläche, wobei alles darunter Atome innerhalb des Materials sind, und die dünneren Linien die ballistischen Bewegungsbahnen der Atome vom Anfang bis zum Stopp im Material. Der violette Kreis ist das ankommende Ion. Rote, blaue, grüne und gelbe Kreise veranschaulichen primäre, sekundäre, tertiäre bzw. quaternäre Rückstöße. Zwei der Atome bewegen sich zufällig aus der Probe heraus, dh sie werden gesputtert.

Diese Ionen, sogenannte „Einfallsionen“, lösen im Target Kollisionskaskaden aus . Solche Kaskaden können viele Wege nehmen; einige prallen zurück zur Oberfläche des Ziels. Wenn eine Kollision Kaskade die Oberfläche des Ziels erreicht hat , und dessen restliche Energie größer ist als die Oberfläche des Zielbindungsenergie wird ein Atom ausgeworfen. Dieser Vorgang wird als "Sputtern" bezeichnet. Wenn das Target dünn ist (auf atomarer Skala), kann die Kollisionskaskade bis zu seiner Rückseite reichen; die auf diese Weise ausgestoßenen Atome sollen der Oberflächenbindungsenergie "in Transmission" entkommen.

Die durchschnittliche Anzahl von Atomen, die pro einfallendes Ion vom Target ausgestoßen werden, wird als "Sputter-Ausbeute" bezeichnet. Die Sputterausbeute hängt von mehreren Faktoren ab: dem Winkel, unter dem Ionen auf die Oberfläche des Materials treffen, mit welcher Energie sie darauf auftreffen, ihren Massen, den Massen der Targetatome und der Oberflächenbindungsenergie des Targets. Besitzt das Target eine Kristallstruktur , ist die Orientierung seiner Achsen zur Oberfläche ein wichtiger Faktor.

Die Ionen, die das Sputtern verursachen, stammen aus verschiedenen Quellen – sie können aus Plasma , speziell konstruierten Ionenquellen , Teilchenbeschleunigern , dem Weltraum (zB Sonnenwind ) oder radioaktiven Materialien (zB Alphastrahlung ) stammen.

Ein Modell zur Beschreibung des Sputterns im Kaskadenregime für amorphe flache Targets ist das analytische Modell von Thompsons. Im Programm TRIM ist ein Algorithmus implementiert, der das Sputtern auf der Grundlage einer quantenmechanischen Behandlung mit Elektronenstriping bei hoher Energie simuliert .

Ein weiterer Mechanismus des physikalischen Sputterns wird "Heat-Sputtering" genannt. Dies kann auftreten, wenn der Festkörper dicht genug und das einfallende Ion schwer genug ist, dass Kollisionen sehr nahe beieinander auftreten. In diesem Fall ist die binäre Kollisionsapproximation nicht mehr gültig und der Kollisionsprozess ist als Vielteilchenprozess zu verstehen. Die dichten Kollisionen induzieren eine Hitzespitze (auch als thermische Spitze bezeichnet), die im Wesentlichen einen kleinen Teil des Kristalls schmilzt. Wenn dieser Abschnitt nahe genug an seiner Oberfläche liegt, können aufgrund von Flüssigkeit, die an die Oberfläche strömt, und/oder Mikroexplosionen eine große Anzahl von Atomen ausgestoßen werden. Heatsputtering ist am wichtigsten für schwere Ionen (zB Xe oder Au oder Cluster-Ionen) mit Energien im keV-MeV-Bereich, die dichte, aber weiche Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt (Ag, Au, Pb usw.) bombardieren. Das Sputtern mit Wärmespitzen nimmt oft nichtlinear mit der Energie zu und kann für kleine Clusterionen zu dramatischen Sputterausbeuten pro Cluster in der Größenordnung von 10.000 führen. Animationen eines solchen Prozesses finden Sie unter "Re: Displacement Cascade 1" im Bereich externe Links .

Physikalisches Sputtern hat einen wohldefinierten minimalen Energieschwellenwert, der gleich oder größer als die Ionenenergie ist, bei der die maximale Energieübertragung vom Ion auf ein Zielatom gleich der Bindungsenergie eines Oberflächenatoms ist. Das heißt, es kann nur passieren, wenn ein Ion in der Lage ist, mehr Energie in das Target zu übertragen, als ein Atom benötigt, um sich von seiner Oberfläche zu lösen.

Dieser Schwellenwert liegt typischerweise irgendwo im Bereich von zehn bis hundert eV .

Bevorzugtes Sputtern kann zu Beginn auftreten, wenn ein Mehrkomponenten-Festkörpertarget beschossen wird und keine Festkörperdiffusion stattfindet. Wenn die Energieübertragung auf eine der Targetkomponenten effizienter ist oder weniger stark an den Festkörper gebunden ist, wird sie effizienter als die andere zerstäubt. Wenn in einer AB-Legierung die Komponente A bevorzugt gesputtert wird, wird die Oberfläche des Festkörpers bei längerem Beschuss mit der B-Komponente angereichert, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass B gesputtert wird, so dass die Zusammensetzung des gesputterten Materials schließlich zu . zurückkehrt AB.

Elektronisches Sputtern

Der Begriff elektronische Sputtern können entweder bedeuten , Sputtern durch energetische Elektronen (beispielsweise in einer Transmissions - Elektronenmikroskop) oder Sputtern aufgrund sehr hohen Energie induziert oder hoch schwere Ionen aufgeladen , dass Energie verliert an den festen, meist durch elektronische Bremskraft , wobei die elektronische Anregungen verursachen Sputtern. Elektronisches Sputtern erzeugt hohe Sputterausbeuten von Isolatoren , da die das Sputtern verursachenden elektronischen Anregungen nicht sofort gelöscht werden, wie dies in einem Leiter der Fall wäre. Ein Beispiel dafür ist Jupiters eisbedeckter Mond Europa , bei dem ein MeV-Schwefel-Ion aus der Jupiter-Magnetosphäre bis zu 10.000 H 2 O-Moleküle ausstoßen kann .

Potentielles Sputtern

Ein kommerzielles Sputtersystem

Bei mehrfach geladenen Projektilionen kann eine besondere Form des elektronischen Sputterns stattfinden, die als Potentialsputtern bezeichnet wird . In diesen Fällen wird die in mehrfach geladenen Ionen gespeicherte potentielle Energie (dh die Energie, die erforderlich ist, um ein Ion dieses Ladungszustands aus seinem neutralen Atom zu erzeugen) freigesetzt, wenn die Ionen beim Aufprall auf eine feste Oberfläche (Bildung von Hohlatomen ) rekombinieren . Dieser Sputterprozess zeichnet sich durch eine starke Abhängigkeit der beobachteten Sputterausbeuten vom Ladungszustand des auftreffenden Ions aus und kann bereits bei Ionenstoßenergien deutlich unterhalb der physikalischen Sputterschwelle ablaufen. Potentielles Sputtern wurde nur für bestimmte Zielspezies beobachtet und erfordert eine minimale potentielle Energie.

Ätzen und chemisches Sputtern

Das Entfernen von Atomen durch Sputtern mit einem Inertgas wird als Ionenfräsen oder Ionenätzen bezeichnet .

Auch beim reaktiven Ionenätzen (RIE) kann Sputtern eine Rolle spielen , einem Plasmaprozess mit chemisch aktiven Ionen und Radikalen, bei dem die Sputterausbeute im Vergleich zum rein physikalischen Sputtern deutlich gesteigert werden kann. Reaktive Ionen werden häufig in Geräten der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) verwendet, um die Sputterraten zu erhöhen. Die Mechanismen, die die Sputterverstärkung verursachen, sind nicht immer gut verstanden, obwohl der Fall des Fluorätzens von Si theoretisch gut modelliert wurde.

Ein Sputtern, das unterhalb der Schwellenenergie des physikalischen Sputterns auftritt, wird oft auch als chemisches Sputtern bezeichnet. Die Mechanismen hinter einem solchen Sputtern sind nicht immer gut verstanden und können schwer vom chemischen Ätzen zu unterscheiden sein . Bei erhöhten Temperaturen kann das chemische Sputtern von Kohlenstoff als Folge der ankommenden Ionen verstanden werden, die Bindungen in der Probe schwächen, die dann durch thermische Aktivierung desorbieren. Das bei niedrigen Temperaturen beobachtete wasserstoffinduzierte Sputtern von kohlenstoffbasierten Materialien wurde dadurch erklärt, dass H-Ionen zwischen CC-Bindungen eindringen und diese so brechen, ein Mechanismus, der als schnelles chemisches Sputtern bezeichnet wird .

Anwendungen und Phänomene

Sputtern findet nur statt, wenn die kinetische Energie der einfallenden Teilchen viel höher ist als die konventionelle thermische Energie ( ≫ 1 eV ). Bei Gleichstrom (DC-Sputtern) werden Spannungen von 3-5 kV verwendet. Bei Wechselstrom ( HF- Sputtern) liegen die Frequenzen im Bereich von 14 MHz.

Sputterreinigung

Festkörperoberflächen können durch physikalisches Sputtern im Vakuum von Verunreinigungen gereinigt werden . Sputter - Reinigung verwendet wird oft in der Oberflächenphysik , Vakuumabscheidung und Ionenplattieren . 1955 berichteten Farnsworth, Schlier, George und Burger über die Verwendung von Sputter-Reinigung in einem Ultrahochvakuum-System, um ultrareine Oberflächen für Niedrigenergie-Elektronenbeugungsstudien (LEED) vorzubereiten. Die Sputterreinigung wurde zu einem integralen Bestandteil des Ionenplattierungsprozesses . Bei großen zu reinigenden Oberflächen kann eine ähnliche Technik, die Plasmareinigung , verwendet werden. Die Sputter-Reinigung hat einige potentielle Probleme wie Überhitzung, Gaseinlagerung im Oberflächenbereich, Bombardement-(Strahlungs-)Schäden im Oberflächenbereich und das Aufrauen der Oberfläche, insbesondere wenn es übertrieben ist. Es ist wichtig, ein sauberes Plasma zu haben, um die Oberfläche während der Sputterreinigung nicht ständig neu zu kontaminieren. Auch die Wiederabscheidung von gesputtertem Material auf dem Substrat kann zu Problemen führen, insbesondere bei hohen Sputterdrücken. Das Sputtern der Oberfläche eines Verbund- oder Legierungsmaterials kann zu einer Veränderung der Oberflächenzusammensetzung führen. Oft wird die Spezies mit der geringsten Masse oder dem höchsten Dampfdruck bevorzugt von der Oberfläche gesputtert.

Filmabscheidung

Hauptartikel: Sputterabscheidung

Sputter - Abscheidung ist ein Verfahren zum Abscheiden von Dünnfilmen durch Zerstäuben , dass Material von einem „Ziel“ Quelle auf ein „Substrat“ beispielsweise ein Silizium - erodierenden beinhaltet Wafer , Solarzellen, optische Komponente, oder viele andere Möglichkeiten. Beim erneuten Sputtern hingegen handelt es sich um eine Reemission des abgeschiedenen Materials, zB SiO 2 während der Abscheidung auch durch Ionenbeschuss.

Zerstäubte Atome werden in die Gasphase ausgestoßen, befinden sich jedoch nicht in ihrem thermodynamischen Gleichgewichtszustand und neigen dazu, sich auf allen Oberflächen in der Vakuumkammer abzulagern. Ein in der Kammer platziertes Substrat (wie ein Wafer) wird mit einem dünnen Film beschichtet. Bei der Sputter-Abscheidung wird normalerweise ein Argonplasma verwendet, da Argon, ein Edelgas, nicht mit dem Targetmaterial reagiert.

Radierung

In der Halbleiterindustrie wird Sputtern verwendet, um das Target zu ätzen. Sputter - Ätzen wird in Fällen gewählt , wo ein hoher Grad der Ätzung Anisotropie benötigt wird , und die Selektivität ist nicht von Belang. Ein Hauptnachteil dieser Technik ist die Beschädigung des Wafers und die Verwendung von Hochspannung.

Zur Analyse

Eine andere Anwendung des Sputterns besteht darin, das Targetmaterial wegzuätzen. Ein solches Beispiel tritt in der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) auf, bei der die Zielprobe mit einer konstanten Rate gesputtert wird. Beim Sputtern des Targets werden die Konzentration und Identität der gesputterten Atome unter Verwendung von Massenspektrometrie gemessen . Auf diese Weise kann die Zusammensetzung des Zielmaterials bestimmt und selbst kleinste Konzentrationen (20 µg/kg) an Verunreinigungen nachgewiesen werden. Da das Sputtern kontinuierlich tiefer in die Probe ätzt, können außerdem Konzentrationsprofile als Funktion der Tiefe gemessen werden.

Im Weltraum

Sputtern ist eine der Formen der Weltraumverwitterung, ein Prozess, der die physikalischen und chemischen Eigenschaften von luftlosen Körpern wie Asteroiden und dem Mond verändert . Auf Eismonden , insbesondere Europa , führt das Sputtern von photolysiertem Wasser von der Oberfläche zu einem Nettoverlust von Wasserstoff und einer Ansammlung von sauerstoffreichen Materialien, die für das Leben wichtig sein können. Sputtern ist auch eine der möglichen Ursachen dafür, dass der Mars den größten Teil seiner Atmosphäre verloren hat und Merkur seine schwache, von der Oberfläche begrenzte Exosphäre ständig auffüllt .


Verweise

Externe Links