Physical vapour deposition (PVD)

Extrem dünne metallische und keramische Schichten mit hoher Gleichmäßigkeit auf Quadratmeter großen Scheiben sind heutzutage industrieller Standard. Für das etablierte Magnetron Sputterverfahren bleibt aber nach wie vor die ständige Herausforderung der Kostensenkung, die Verbesserung der Prozessstabilisierung über lange Zeiträume und die weitere Vereinfachung der Wartung. Dabei sind neben der Steigerung der Materialausnutzung, der Reduzierung von Mikrobogenentladungen und der Unterdrückung von unerwünschtem Staub und Partikeln in den Beschichtungsquellen das intelligente Zusammenspiel zwischen den notwendigen elektrischen Stromversorgungen und den Beschichtungsquellen die entscheidenden Themen.

Das Magnetron-Sputterverfahren für die Abscheidung extrem dünner metallischer oder keramischer Schichten auf flächigen Substraten bis hin zu 18 m² ist industrieller Standard. Damit steht die weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit im Fokus der Entwicklung. Mit der Einführung von rohrförmigen Sputtertargets gab es einen regelrechten Schub in Bezug auf Materialausnutzung aber auch in den Abscheideraten. Man erreicht damit Materialausnutzungen im Bereich von 80%, einer deutlichen Verbesserung gegenüber ca. 50% mit der technisch aufwändigen dynamischen Planarkatode und ca. 35% mit der statischen Planarkatode.

Mit dem permanenten Drehen des rohrförmigen Targets durch das Plasma, wo die Targeterosion stattfindet, kann eine sehr effektive Kühlung des Targets erreicht werden, die es erlaubt, eine zwei- bis dreifach höhere Leistungsdichte auf der Targetoberfläche zu erreichen, als es für planare Targets möglich ist. Mit höherer Leistungsdichte steigt natürlich auch die maximale Abscheiderate einer Magentron Sputterkatode und somit ihre Wirtschaftlichkeit.

Neben der Materialausnutzung und der Abscheiderate ist noch ein dritter Faktor von Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit des Magnetron Sputterverfahrens: das sogenannte Arcing (engl: arc – Bogenentladung). Es sind nicht die optisch gut sichtbaren, extrem destruktiven Schweißbögen, wie in den Fotos gut zu sehen, sondern Micro Arcs (sehr begrenzte, kaum sichtbare Bögen), die aber in sehr großer zeitlicher Dichte auftreten können (mehrere Tausend pro Sekunde) und die jeweils zum kurzzeiten Abschalten der Stromversorgung führen. Dadurch kann es vorkommen, dass eine Stromversorgung die Hälfte der Zeit „abgeschaltet“ ist, um die Micro Arcs zu löschen. Die Frequenz des Auftretens von Micro Arcs ist letztlich eine Frage der Materialeigenschaften der Targets.

Wir bei W&L Coating Systems arbeiten daran, die drei entscheidenden Faktoren für die Wirtschaftlichkeit von Magnetron Sputterkatoden weiter zu verbessern.