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Magnetron-Sputterverfahren

Substrat
Target
Plasmawolke
Magnet
N
S
N
gasdichte
Isolation
Vakuum-
pumpe
Edelgas
reservoir
Hochspannungsnetzteil

Bild 1: Schematische Darstellung eines Magnetron-Sputterprozesses

Magnetron-Sputterverfahren

Das Magnetron-Sputterverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung sehr dünner Materialschichten durch Aufdampfen in einer Vakuumkammer im Druckbereich von 10-3 - 102 mbar. Das Sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt, ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper (genannt: Target) durch Beschuss mit energiereichen Ionen herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. Es dient zum Zerstäuben eines Materials, das sich anschließend auf einem Substrat niederschlägt und eine feste Schicht bildet. Das Sputterverfahren wird auch als PVD-Verfahren bezeichnet (Physical Vapor Deposition, auf Deutsch etwa: physikalische Dampfphasenabscheidung). Der Beschichtungsprozess im Vakuum ermöglicht eine hohe Gleichmäßigkeit und Reinheit der Schicht. Die Beschichtungsquelle (Sputterquelle) erzeugt ein Niederdruckplasma aus einem Edelgas (typischerweise Argon). Als Ausgangsmaterial für die Schicht dient das Target, das sich in der Sputterquelle befindet.

Die Hauptelemente der Einrichtung sind die Kathode (Target) und die Anode. Zur Verstärkung des Ionisationsgrades und damit der Beschichtungsrate werden hinter den Targets Magnetfelder installiert. Das führt zu der Bezeichnung Magnetron. Dieses ist hier nicht zu Erzeugung hochfrequenter Schwingungen eingesetzt. Es fehlen die dazu nötigen Resonatoren. Durch die Edelgasfüllung arbeitet es eher wie ein Thyratron: durch Anlegen einer Hochspannung zündet die Röhre und es bildet sich eine Plasmawolke. In dieser Plasmawolke wird die Atomhülle der Atome der Gasfüllung aufgebrochen und es entstehen geladene Teilchen (negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen). Wie beim klassischen Magnetron zur Hochfrequenzerzeugung liegen elektrisches Feld (Hochspannung) und magnetisches Feld rechtwinklig zueinander. Das magnetische Feld zwingt die geladenen Teilchen in Zykloidenbögen parallel zur Kathode, das ist hier die Targetoberfläche. Durch die Hochspannung bewegen sie sich dann eher in einer schraubenförmigen Bahn. Die Ionen werden in Richtung auf das Target beschleunigt. Beim Auftreffen werden Teilchen des Targets abgetragen. Diese Teilchen setzen sich auf dem zu beschichtenden Substrat ab, so dass die Schicht dort Atom für Atom aufwächst.

Mit dieser Technologie können alle leitfähigen sowie auch hochschmelzenden Materialien aufgebracht werden. Auch isolierende Materialien lassen sich zerstäuben und können als Targetmaterial Verwendung finden. Durch Variation der Beschichtungsparameter sind beim Magnetron-Sputterverfahren die Plasmabedingungen und damit auch die Eigenschaften der Schicht in weiten Grenzen einstellbar. Die Dicke der Beschichtung kann präzise gesteuert werden. Die typische Schichtdicke reicht von 1 nm bis mehreren μm. Außerdem lassen sich verschiedenste Schichtzusammensetzungen sehr exakt einstellen.

Das Sputterverfahren hat gegenüber herkömmlichen Prozessen, wie dem Galvanisieren oder auch dem einfachen Aufdampfen im Vakuum, deutliche Vorteile. Beispielhaft im Vergleich zur Galvanik sei hier die saubere Technologie erwähnt, die gänzlich auf den Einsatz umweltbelastender Chemikalien verzichtet. Damit entfallen die hohen Betriebs- und Entsorgungskosten und es ergibt sich für die funktionelle Oberflächenveredelung eine saubere Produktionsalternative. Die Sputter-Verfahrenstechnik befindet sich technisch auf einem sehr hohen Niveau und eignet sich auch als Fertigungsprozess für eine Massenproduktion.

Bild 2: F-22 Raptor mit einer mit Gold bedampften Cockpithaube
© 2008 Robert Shenk

Vorteile des Verfahrens:

Für die Radartechnik hat dieses Verfahren insofern eine mehr passive Bedeutung, dass zum Beispiel Glas mit einer leitenden Schicht versehen werden kann, die ein Durchdringen elektromagnetischer Wellen verhindert. Das können zum Beispiel die Glasscheiben im Tower sein um die Fluglotsen vor der HF-Strahlung von in der Nähe arbeitenden Radarstationen zu schützen. Ebenso können Cockpitscheiben von Flugzeugen mit Stealth-Eigenschaften mit einer dünnen Goldschicht bedampft werden, um wilde Reflexionen innerhalb des Cockpits zu verhindern.