Sputter-Technologien

Die Sputtertechnologien sind eine der Kerntechnologien des Fraunhofer FEP. Sie ermöglichen das effiziente Aufbringen von Schichten und Mehrlagenschichtsystemen im Vakuum auf großen Oberflächen. Besonders geeignet sind Sputterverfahren für das präzise Abscheiden dünner, elektrischer und optischer Funktionsschichten im industriellen Maßstab. Diese Verfahren gewährleisten Schichtdickenpräzision, geringe Rauheit und hohe Schichthaftung.

Unser Institut hat sich auf das Puls-Magnetron-Sputtern (PMS) und die Regelung reaktiver Sputterprozesse spezialisiert. Durch die pulsförmige Einspeisung elektrischer Energie während der Magnetron-Gasentladung können störende Arcing-Prozesse minimiert werden. Die reaktive Prozessführung erweitert die Palette der abscheidbaren Materialien, sodass neben Metallen auch Oxide, Nitride und Oxinitride aufgebracht werden können.

Mit dem dualen Magnetron-Sputter-System (DMS) können elektrisch hochisolierende Materialien abgeschieden werden.

Das Fraunhofer FEP nutzt und entwickelt Sputtermethoden, um innovative Lösungen für komplexe Beschichtungsanforderungen bereitzustellen. Dies umfasst die Aufbringung funktionaler Schichten sowohl im Sheet-to-Sheet- und Rolle-zu-Rolle-Prozess als auch auf 3D-Bauteilen.

• Spezialisierung auf Puls-Magnetron-Sputtern (PMS) und reaktive Sputterprozesse
• Anwendungsmöglichkeiten für Metalle, Oxide, Nitride und hochisolierende Materialien
• Innovative Lösungen für verschiedene Beschichtungsanforderungen und -technologien

Das Fraunhofer FEP bietet umfassende Kompetenzen hinsichtlich der Prozess- und Technologieentwicklung für Beschichtungstechnologien und Schichtsystemen entsprechend Ihrer Anwendung entlang der gesamten Wertschöpfungskette:

• Machbarkeitsstudien
• Entwicklung der Beschichtungstechnologie und des Schichtsystems für Ihr Produkt
• Musterbeschichtungen
• Entwicklung von Schlüsselbaugruppen
• Technologietransfer in die Produktion
• Unterstützung bei der Anlagenrealisierung für unsere Kunden
• Lizenzierung

Diese Entwicklungsarbeiten werden ergänzt und unterstützt durch:

• Akquisition und Koordination von geförderten Projekten des Landes, des Bundes und der Europäischen Union
• Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
• Studien zum Stand der Technik, z. B. Literatur- und Patentrecherchen

Reaktives Puls-Magnetron-Sputtern und Magnetron-PECVD

Mit dem reaktiven Puls-Magnetron-Sputtern (PMS) lassen sich Verbindungsschichten sehr hoher Qualität mit hoher Beschichtungsrate abscheiden. Dabei wird von elektrisch leitfähigen Targets gesputtert und gleichzeitig Reaktivgas oder ein Reaktivgasgemisch eingelassen.

Die Bildung der Schicht erfolgt aus dem  abgestäubten Targetmaterial und dessen Reaktion mit dem Reaktivgas auf der Substratoberfläche. Die Beschichtungsrate ist meist eine Größenordnung höher als beim Hochfrequenz-Sputtern vom Verbindungstarget.

Beim Magnetron-PECVD-Prozess wird ein Precursor eingelassen. Das Plasma führt zur chemischen Reaktion und zur Abscheidung anorganischer, organischer oder hybrider Schichten auf dem Substrat. Es wird kein oder nur eine sehr geringe Menge vom Target abgestäubt und in die Schicht eingebaut. Die Beschichtungsrate ist bis zu einer  Größenordnung höher als beim reaktiven PMS.

Dynamische / stationäre Beschichtung

Neue Freiheitsgrade für anspruchsvolle Schichteigenschaftsportfolios

Beim dynamischen Sputtern wird das Substrat an der Sputterquelle vorbeigeführt. Üblicherweise wird dieses Verfahren in sogenannten in-line-Anlagen für große Substrate oder eine große Zahl kleinerer Substrate verwendet, die auf Paletten befestigt werden. Beim stationären Sputtern verbleibt das Substrat vor der Sputterquelle.

Es wird im Allgemeinen für die Einzelsubstratbeschichtung (derzeit bis 300 mm, zukünftig bis 450 mm Durchmesser) oder bei mehreren kleinen Substraten auf einem Carrier in sogenannten Cluster-Anlagen eingesetzt.

Puls-Magnetron-Sputtern kann reaktiv von metallischen Targets oder nicht-reaktiv von elektrisch leitfähigen keramischen Targets betrieben werden und ermöglicht somit eine breite Palette abscheidbarer Materialien.

Neben klassischen Optimierungsparametern wie Prozessdruck, Substrattemperatur und Substrat-Bias wurden am Fraunhofer FEP neue Freiheitsgrade erschlossen und die dafür notwendigen Schlüsselkomponenten und Technologien entwickelt. Durch Einstellung von Pulsmodus (uni polar, bipolar, Puls-Paket) und Pulsparameter (Tastverhältnis) der gepulsten Energieeinspeisung in das Plasma, können der Energieeintrag in die wachsenden Schichten gesteuert und bisher nicht zugängliche Schichteigenschaften bzw. Eigenschaftskombinationen eingestellt werden – bei gleichzeitig hoher Beschichtungsrate.

Integrierte prozessnahe Mess- und Regeltechnik für die Reaktivgaszufuhr sowie die Nachführung des Magnetfeldes im Verlauf der Targetstandzeit sichern zudem eine hohe Reproduzierbarkeit der Plasmabedingungen und damit der Schichteigenschaften im Dauerbetrieb.

Wir entwickeln aufeinander abgestimmte systembestimmende Schlüsselkomponenten für das reaktive Puls-Magnetron-Sputtern. Zusammen mit den an die Beschichtungsaufgabe angepassten Prozessen und Technologien können diese als integrierte Pakete die Möglichkeiten neuer oder bestehender Beschichtungsanlagen erweitern.

• Mehr-Ring-Magnetron (MRM)-Quellen für die stationäre Beschichtung
  • gleichmäßige Schichtdicken und Schichteigenschaften derzeit bis zu 200 mm, zukünftig bis 450 mm Durchmesser
  • getrennt steuerbare konzentrische Plasmaentladungen (zwei bzw. drei Ringe) zur homogenen Abscheidung oder zur Anpassung an gekrümmte Oberflächen
• Rechteck-Magnetron (bis zu 2 m Länge) für die dynamische Beschichtung 
• Puls-Stromversorgungen
• Prozessregeleinheiten