Was ist der Unterschied zwischen Sputtern und Verdampfen?

Während mehrere Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) existieren, sind Plasmasputtern und Elektronenstrahlverdampfung zwei der gebräuchlichsten. Wenn Sie den Unterschied zwischen Sputtern und Verdampfen kennen, können Sie feststellen, welche Option besser zu Ihrer PVD-Anwendung passt.

Beim Sputtern kollidieren energetische Ionen mit einem Target, um Atome von dem Targetmaterial abzulösen oder zu sputtern. Alternativ beinhaltet die Verdampfung das Erhitzen des Quellenmaterials über seine Verdampfungstemperatur hinaus.

So einfach dies auch klingen mag, hinter diesen PVD-Methoden steckt noch viel mehr. Dieser Beitrag vergleicht die beiden Methoden, erklärt, was sie sind, und hebt ihre Vor- und Nachteile hervor.

Sputtern erklärt

Sputtern ist ein PVD-Prozess, der die Herstellung dünner Schichten unter Verwendung von gesputterten Atomen ermöglicht. Sputtersysteme gibt es in verschiedenen Ausführungen, einschließlich Ionenstrahl- und Magnetron-Sputtern.

Beim Ionenstrahlsputtern wird ein Ionen-Elektronenstrahl auf ein Target fokussiert, um Material auf ein Substrat zu sputtern.

Der Prozess beginnt damit, dass die zu beschichtende Oberfläche in eine Vakuumkammer gelegt wird, die mit inerten, nicht reaktiven Gasatomen gefüllt ist.

Das Ausgangsmaterial erhält dann eine negative Ladung, die es in eine Kathode umwandelt und bewirkt, dass freie Elektronen daraus fließen. Die freien Elektronen kollidieren dann mit den Elektronen, die die negativ geladenen Gasatome umgeben.

Dadurch werden die Gaselektronen ausgetrieben und die Gasatome in positiv geladene, energiereiche Ionen umgewandelt. Das Ausgangsmaterial zieht dann diese Ionen an, die mit so hoher Geschwindigkeit aufeinanderprallen, dass sie atomare Teilchen ablösen.

Die gesputterten Partikel durchqueren schließlich die Kammer und landen auf dem Substrat, um einen Film aus ausgestoßenen Zielionen zu erzeugen.

Da die Ionen die gleiche Richtung und Energie besitzen, trägt dieser Prozess dazu bei, eine hohe Filmdichte und -qualität zu erreichen.

Andererseits ist Magnetron-Sputtern ein Plasma-basiertes Beschichtungsverfahren, bei dem positiv geladene Ionen aus einem magnetisch eingeschlossenen Plasma mit negativ geladenen Ausgangsmaterialien kollidieren. Durch die Kollision werden Atome aus dem Material herausgeschleudert und auf einem Substrat abgeschieden.

Da der Prozess in einem geschlossenen Magnetfeld stattfindet, fängt er Elektronen besser ein und erhöht die Effizienz. Dadurch trägt das Verfahren zu einer guten Filmqualität bei und bietet die höchste Skalierbarkeit aller PVD-Verfahren.

Thermische Verdampfung erklärt

Der Hauptunterschied zwischen Sputtern und Verdampfen besteht darin, wie sie Beschichtungsfilme erzeugen.

Mehr über dieses PVD-Verfahren erfahren Sie im ausführlichen Artikel zur thermischen Verdampfung von Korvus Technology .

Die thermische Verdampfung beruht auf Wärme, um ein festes Ausgangsmaterial zu verdampfen oder zu sublimieren. Ähnlich wie beim Sputtern gibt es jedoch auch die thermische Verdampfung in zahlreichen Formen, die resistive thermische Verdampfung und die Elektronenstrahlverdampfung.

Bei der resistiven thermischen Verdampfung wird thermische Energie aus einer resistiven Wärmequelle gewonnen und in einer Vakuumkammer auf das Festkörperquellenmaterial aufgebracht. Die Hitze verdampft das Material und erzeugt Hochdruckdampf, der auf einem Substrat kondensiert und einen dünnen Film bildet.

Aufgrund der Umgebung, die die Vakuumkammer erzeugt, kann sogar Niederdruckdampf eine Dampfwolke aus verdampften Partikeln erzeugen, die an der Substratoberfläche haften bleiben können.

Dieses Verdampfungsverfahren erzeugt dickere Beschichtungen, ermöglicht eine schnelle Entspannungsverdampfung und eignet sich gut für industrielle Anwendungen, die elektrische Kontakte verwenden.

Bei der Elektronenstrahlverdampfung wird ein Elektronenstrahl verwendet, der eine große Energiemenge auf das Ausgangsmaterial in einem wassergekühlten Tiegel oder Kupferherd fokussiert.

Der Elektronenstrahl erzeugt extrem hohe Temperaturen, die Materialien mit hohen Schmelztemperaturen verdampfen. Dieser Dampf setzt sich dann auf einem Substrat ab und bildet einen Film aus dem verdampften Material.

Vor- und Nachteile von Sputtern und Verdampfung

Vorteile des Sputterns

Je nachdem, für welche Art des Sputterns Sie sich entscheiden, können Sie mehrere Vorteile genießen. Zu den Vorteilen des Magnetron-Sputterns gehören beispielsweise:

• Einheitlichkeit, die Ihnen hilft, einen besseren Ertrag zu erzielen
• Geringer Verunreinigungsgrad
• Beeindruckende Schichtdichte bei mäßiger bis hoher Beanspruchung
• Höchste Skalierbarkeitsraten mit verfügbarer Automatisierung
• Hohe Abscheiderate, ideal für Anwendungen mit hohem Durchsatz

Alternativ können Sie beim Ionenstrahl-Sputtern folgende Vorteile genießen:

• Hervorragende Gleichmäßigkeit; das beste aller PVD-Verfahren
• Die niedrigsten Verunreinigungsgrade aller PVD-Prozesse
• Folie von höchster Qualität, höher als alle PVD-Verfahren
• Hervorragende und hochgradig kontrollierte Direktionalität
• Ideal für Niedertemperaturanwendungen
• Geringere Streuung und Absorption als andere PVD-Verfahren

Nachteile des Sputterns

Ja, Ionenstrahlsputtern erzeugt die dichtesten und qualitativ hochwertigsten Filme, und Magnetronsputtern bietet die höchste Skalierbarkeit. Diese physikalischen Dampfabscheidungsverfahren haben jedoch einige Nachteile.

Zu den Nachteilen, die beim Magnetron-Sputtern auftreten können, gehören beispielsweise:

• Geringe Direktionalität
• Hohe Kosten
• Hohe Systemkomplexität
• Schlechte Abscheidungsraten für Dielektrika
• Substraterwärmung, insbesondere wenn es sich um ein energetisches Zielmaterial handelt

Das Ionenstrahlsputtern hat auch einige Nachteile, wie zum Beispiel:

• Viel Stress
• Geringe Skalierbarkeit, die den Durchsatz reduziert
• Niedrige Ablagerungsraten
• Hochkomplex und kostspielig
• Langsamste Abscheidungsmethode

Vorteile der Verdunstung

Was die Verdampfung betrifft, so haben sowohl die Elektronenstrahl- als auch die resistive thermische Verdampfung deutliche Vor- und Nachteile.

Beispielsweise bietet die Elektronenstrahlverdampfung folgende Vorteile:

• Geringer Verunreinigungsgrad
• Gute Direktionalität
• Hohe Ablagerungsraten
• Hoher Durchsatz
• Hervorragende Gleichmäßigkeit bei der Verwendung von Masken und Planeten
• Kompatibilität mit Ionenunterstützungsquellen

Wenn Sie sich für die resistive thermische Verdampfung entscheiden, können Sie Folgendes genießen:

• Hohe Ablagerungsraten
• Einfachheit
• Gute Direktionalität
• Bezahlbarkeit
• Hervorragende Gleichmäßigkeit

Das Verfahren ist auch ideal für Materialien mit niedrigen Schmelzpunkten, kann mit Nichtmetallen und Metallen verwendet werden und eignet sich für Anwendungen, die elektrische Kontakte verwenden.

Nachteile der Verdunstung

Zu den Nachteilen der resistiven thermischen Verdampfung gehören:

• Höchste Verunreinigungsgrade
• Begrenzte Skalierbarkeit
• Filmqualität mit niedriger Dichte
• Moderater Filmstress
• Schlechte Gleichmäßigkeit ohne Masken und Planeten

Bei der E-Beam-Verdampfung müssen Sie sich mit Folgendem auseinandersetzen:

• Moderate Systemkomplexität
• Moderate Stressresistenz
• Begrenzte Skalierbarkeit bei reduzierten Depositionsraten und Auslastung
• Moderate Kosten

Fazit – Welche sollten Sie verwenden?

Während Sputtern eine bessere Gleichmäßigkeit und Filmqualität erzeugt, ist es kostspieliger und komplexer. Alternativ ist die Verdampfung zwar ideal für Situationen, die einen hohen Durchsatz und eine Massenproduktion erfordern, aber sie hat eine begrenzte Skalierbarkeit.

Wählen Sie bei der Entscheidung für die zu verwendende Methode die Option, die das richtige Gleichgewicht zwischen Ausbeute, Kosten, Filmqualität und Durchsatz bietet. Berücksichtigen Sie auch die industrielle Anwendbarkeit der Methode und Ihre Präferenzen.

Brauchen Sie Hilfe bei Ihrer Entscheidung? Wenden Sie sich an Korvus Technology.

Gerne sprechen wir mit Ihnen über den Unterschied zwischen Sputtern und Verdampfen und wie unser HEX-System dabei helfen kann.