Thermisches Verdampfen

Thermisches Verdampfen (auch Aufdampfen oder Bedampfen, engl. thermal evaporation) ist ein zu den PVD-Verfahren gehörende hochvakuumbasierte Beschichtungstechnik. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei der das gesamte Ausgangsmaterial durch eine elektrische Heizung (resisitiv oder induktiv) auf Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts erhitzt wird, sich ein Materialdampf zu einem Substrat bewegt und dort zu einer Schicht kondensiert. Es stellt damit eines der einfachsten Verdampfungsverfahren in der Beschichtungstechnik dar.

Im erweiterten Sinn wird das thermische Verdampfen als eine Gruppe von PVD-Verfahren^[1] verstanden, bei denen das Ausgangsmaterial auf verschiedene Weisen erhitzt wird. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise Verdampfungsmethoden mittels Laser, Elektronenstrahlen oder einem Lichtbogen. Auch die Molekularstrahlepitaxie gehört zu dieser Gruppe. Hingegen werden Verfahren bei denen der Materialdampf nachträglich durch ein Plasma modifiziert wird, wie beim Ionenplattieren, nicht zur Gruppe der Verdampfungsverfahren gezählt.

Funktionsweise

Beim thermischen Verdampfen wird das Ausgangsmaterial auf Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts erhitzt. Dabei lösen sich einzelne Atome, „Atomcluster“ oder Moleküle, das heißt, sie verdampfen, und wandern durch die Vakuumkammer. Aufgrund der Anordnung zwischen Verdampferquelle und Substrat trifft der Matrialdampf auf das gegenüberliegende, kühlere Substrat und schlägt sich dort nieder (Kondensation). Dabei bildet sich auf dem Substrat eine dünne Schicht aus dem verdampften Material. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass sich der Materialdampf in der Vakuumkammer in alle Richtungen ausbreitet und sich daher ein Teil des Materials zwangsläufig auch an der Gefäßwand des Rezipienten niederschlägt.

Wie die meisten anderen PVD-Verfahren ist auch das thermische Verdampfen ein Hochvakuumprozess. Typische Prozessdrücke sind 10⁻⁶ mbar. Dafür gibt es verschiedene Gründe, zum einen werden durch den niedrigen Druck Zusammenstöße mit noch im Vakuum vorhandenen Gasteilchen minimiert (in diesem Druckbereich ist die mittlere freie Weglänge sehr viel größer als der Abstand der Verdampferquelle zum Substrat), zum anderen muss der Prozessdruck unter dem Gasdruck des aufzudampfenden Materials liegen.

Stöße mit anderen Atomen bzw. Molekülen sollen vermieden werden, da das Material mit diesen chemisch reagieren kann. So kann beispielsweise ein Teil eines Metalldampfes oxidieren, so dass die abgeschiedenen Schichten verunreinigt sind. Im Extremfall könnte es daher zur Abscheidung von Metalloxidschichten kommen. Dies ist in der Regel unerwünscht, kann aber auch im Fall des reaktiven Verdampfens gezielt ausgenutzt werden, indem ionisierter Sauerstoff in die Vakuumkammer eingelassen wird. Auf diese Weise kann beispielsweise die Abscheidung von Indiumzinnoxid-Schichten (ITO-Schichten) verbessert oder die Abscheidung von Schwarznickel (NiO) erreicht werden; beide Materialien werden in der Photovoltaik eingesetzt.

Bei der Abscheidung von Legierungen sind die unterschiedlichen Dampfdrücke der Einzelkomponenten und somit die unterschiedlichen Abscheidungsraten problematisch. In diesem Fall werden meist Einzelkomponenten aus separaten Quellen mit unterschiedlichen Temperaturen verdampft. Bei zu hohem Restdruck des Vakuums können weniger dichte Schichten mit anderen Materialeigenschaften entstehen.

Verdampferquellen

Wie im vorhergehenden Abschnitt bereits erwähnt, wird das thermische Verdampfen in folgende Untergruppen unterteilt. Die Einteilung geschieht anhand des eingesetzten Verdampfers:

1. Verfahren bei denen das Material vollständig aufgeschmolzen wird
   • Widerstandsverdampfer: Beim thermischen Verdampfen aus einem Schiffchen wird der Materialbehälter durch Stromdurchfluss erhitzt, bis das Aufdampfmaterial verdampft. Das Schiffchen besteht oft aus Molybdän, Wolfram oder Tantal). Alternativ wird auch ein Wolfram-Glühwendel mit Al₂O₃ oder Bornitrid-Behälter mit dem Aufdampfmaterial verwendet. Ein Nachteil dieser Methode ist die Gefahr für Kontamination mit dem Behältermaterial.
   • Induktionsheizer: Hierbei wird das leitfähige Material in einem Einsatz (Liner) durch Induktivheizung (Wirbelstrom) direkt erhitzt.
2. Verfahren bei denen nur ein Teil des Materials aufgeschmolzen wird
   • Elektronenstrahlverdampfer: Beim Einsatz vom Elektronenstrahlverdampfern wird das Aufdampfmaterial durch einen Elektronenstrahl erhitzt. Dabei wird die kinetische Energie der Elektronen durch inelastische Stöße an das zu verdampfende Material übertragen. Es befindet sich dazu in einem wassergekühlten Kupfertiegel oder in einem Einsatz (engl. liner) aus Molybdän, Tantal, Bornitrid oder Graphit in diesem Kupfertiegel. Bei dieser Methode ist die Kontamination mit Tiegelmaterial nahezu ausgeschlossen.
   • Lichtbogen: siehe Lichtbogenverdampfen
   • gepulster Laser: siehe Laserstrahlverdampfen

Anwendungsbereiche

Beschichtungsanlage für das thermische Verdampfen von Metallen (Varian 3119)

Typische Materialien für diesen Prozess sind Metalle (z. B. Kupfer, Silber, Gold), aber auch andere Materialien, wie Siliciumdioxid, Indiumzinnoxid oder organische Halbleiter (z. B. Pentacen), können so abgeschieden werden. Die Prozesstemperatur ist aufgrund dieser Vielfalt sehr unterschiedlich, so werden Metalle bei 1000–3400 °C verdampft. Andere Materialien benötigen hingegen deutlich niedrigere Temperaturen (z. B. Pentacen bei ca. 290 °C^[2] oder Indiumzinnoxid bei ca. 600 °C).

Die Temperaturregelung ist dabei ein wichtiger Faktor, denn schon kleinere Temperaturänderungen können große Unterschiede bei der Verdampfungsrate ergeben. Die Regelung ist über eine konstante Energiezufuhr zum Verdampfer nicht möglich, da die Wärmebilanz u. a. vom Füllstand abhängig ist. Die Abscheideregelung und somit die Energiezufuhr zum Heizer erfolgt über Schichtdickenmessungen mittels eines Schwingquarzes. Die Parameter müssen dafür vorher mit einem Test ermittelt werden.

Literatur

• K. S. SreeHarsha: Principles of physical vapor deposition of thin films. Elsevier, 2006, ISBN 9780080446998.

Einzelnachweise