Sputtern: Was geschieht bei dem Prozess?

Das Sputtern ist ein physikalischer Vorgang bei dem Atome, durch den Beschuss mit hochenergetischen Ionen, aus einem Festkörper gelöst werden.


Unter dem Begriff Sputtern wird meistens die Sputterdeposition verstanden. Hierbei handelt es sich um eine alternative Methode der Metallbeschichtung. Bei diesem Prozess, der auch Kathodenzerstäubung genannt wird, wird eine Oberfläche mit Ionen beschossen, so wird Material von der Kathode abgetragen. Dafür wird ein Gas in einer elektrischen Entladung ionisiert um es so gezielt zu beschleunigen. Die freien Atome beziehungsweise Moleküle des Quellmaterials gelangen daraufhin zu dem Objekt, das beschichtet werden soll (dem so genannten Substrat), wo sie sich ablagern.

Der vereinfachte Aufbau des Sputterverfahrens
Innerhalb einer Vakuumkammer befindet sich eine Diodenanordnung mit einer positiv geladenen Anode und einer negativ geladenen Kathode. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Arbeitsgas, aus Kostengründen wird meist das Edelgas Argon benutzt. Die Vakuumkammer muss ein Pumpsystem mit ausreichender Saugleistung besitzen, da der Prozess mit ständigem Gasdurchfluss abläuft. Die Kathode, das „Target“, besteht aus dem Material das zerstäubt werden soll. Vor der Anode wird der zu beschichtende Gegenstand angebracht, auf dem sich das zerstäubte Material niederschlägt und so eine dünne Schicht bildet.

Die verschiedenen Methoden und Anwendungsgebiete
Zunächst unterscheidet man zwischen dem passiven Sputtern und dem reaktiven Sputtern. Beim passiven Sputtern kann eine Schicht sehr guter Reinheit erzeugt werden. Dabei wird nur das Metall das durch den Ionenbeschuss abgelöst wird auf dem zu bestäubenden Gegenstand niedergeschlagen. Beim reaktiven Sputtern werden zusätzlich Teile aus einer Gasumgebung integriert. So lässt sich durch Reaktion des Metalls in Sauerstoffatmosphäre eine Oxidschicht auftragen. Beim Hochfrequenzsputtern wird, im Gegensatz zur Sputterdeposition, bei der die Elektroden an eine hohe Gleichspannung angeschlossen werden, ein hochfrequentes Wechselfeld angelegt. In dem Umgebungsgas, können sich Ionen und die Elektronen frei bewegen. Beim Hochfrequenzsputtern wird, im Gegensatz zur Sputterdeposition, bei der die Elektroden an eine hohe Gleichspannung angeschlossen werden, ein hochfrequentes Wechselfeld angelegt. In dem Umgebungsgas, können sich Ionen und die Elektronen frei bewegen. Das Sputtern wird hauptsächlich in der Materialbearbeitung verwendet um Werkstücke mit dünnen Ablagerungen zu überziehen. Das kann sowohl für die Herstellung von Spiegeln, als auch von Wärmeschutzglas nützlich sein. In der Analytik wird es zur Reinigung von Werkstoffen und Proben benutzt. Die Oberfläche kann so von kleinen Partikeln und organischen Verschmutzungen gereinigt werden.