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Bedampfen

18.07.2018

Bei den Bedampfungsverfahren wird das zu verdampfende Schichtmaterial in einem unter Vakuum stehenden Reaktor mittels eines Tiegels auf eine hinreichend hohe Temperatur (abhängig vom Material) erhitzt, sodass es in den gasförmigen Zustand übergehen kann. Die freigesetzten Atome und Moleküle scheiden sich als Schicht auf dem Substrat sowie an den umgebenden Reaktorwänden ab. Durch die geradlinige Ausbreitung der Dampfteilchen werden Flächen, die vom Ort der Dampfquelle aus gesehen nicht sichtbar sind, mit einer wesentlich geringeren Beschichtungsrate versehen. Für eine möglichst homogene Beschichtung aller Flächen müssen daher die nicht zugewandten Flächen durch geeignetes Ausrichten (z.B. durch Rotation) zur Bedampfungsquelle hin bewegt werden.

Da der Bedampfungsprozess üblicherweise im Hochvakuum stattfindet (p < 10-3 Pa), befinden sich aufgrund der hohen mittleren freien Weglänge nur wenig potentielle Kollisionsteilchen im Reaktor. Auf diese Weise können die freigesetzten Teilchen nahezu geradlinig zur Substratoberfläche gelangen. Zur Erzielung bestimmter Schichteigenschaften (z.B. Härte) muss das Substrat oftmals vor und während des Bedampfens auf mehrere 100 °C erhitzt werden, was z.B. mit einer optionalen Substratheizung bewerkstelligt werden kann.

Die Verdampfung des Targetmaterials kann in einer Vakuumkammer nach dem Prinzip der verwendeten Energiezufuhr eingeteilt werden:

  • Widerstandsheizung – Bei der direkten Widerstandsheizung werden elektrisch leitende Elemente in Form von Drähten oder Stäben durch direkten Stromdurchgang verdampft. Diese Methode ist auf wenige Materialien beschränkt und eher selten anzutreffen. Bei der indirekten Widerstandsheizung wird das Targetmaterial auf einen Halter (z.B. Tiegel, Spirale) gelegt und anschließend durch den beheizten Halter mittels Stromdurchgang verdampft.
  • Induktive Heizung – Das elektrisch leitfähige Targetmaterial wird mittels hoch- oder niederfrequenter Induktion erhitzt und verdampft.
  • Laserstrahl – Das Targetmaterial absorbiert auftreffende gepulste Laserstrahlung mit hoher Intensität (ca. 10 MW/cm2) und wird dadurch verdampft.
  • Elektronenstrahl – Mittels einer Elektronenkanone wird ein gebündelter Elektronenstrahl erzeugt und auf das Targetmaterial gerichtet. Die stark beschleunigten Elektronen geben ihre kinetische Energie durch inelastische Stöße an das Beschichtungsmaterial ab, sodass dieses stark erhitzt und verdampft wird. Durch die erzielbaren hohen Energiedichten und Temperaturen können grundsätzlich alle bekannten Feststoffe (auch Kohlenstoff oder Keramik) verdampft werden.
  • Lichtbogen – Das elektrisch leitfähige Targetmaterial wird z.B. als Platte im vakuumierten Reaktor platziert und kathodisch geschaltet. Als Anode dient die Kammerwand des Reaktors oder eine definierte Elektrode. Durch Anlegen einer Spannung wird wie beim Schweißen ein Lichtbogen (Arc) erzeugt, der sich auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials bewegt. Aufgrund der hohen Ionisisation und Energiedichte des Lichtbogens wird das Material direkt verdampft, ohne eine großflächige Schmelze zu bilden.