Magnetronsputtern – Innovationsmotor seit vier Jahrzehnten!

  • 29. December 2017

Vom ersten Hi-Tech-Bohrer über Festplatten, Flachdisplays und Solarzellen bis hin zu Präzisionsoptiken.

Können wir uns ein Leben ohne Flach­bild­schirm, Smart­phone, iPad und Co. noch vorstellen? CD, DVD und Blu-ray sind in unserem All­tag ebenso selbst­verständ­lich gewor­den wie die Fest­platte mit Speicher­kapazi­täten im Terra­byte-Bereich. Die Floppy Disk mit der für die 80er Jahre bemerkens­werten Speicher­kapazität von 1,44 Mega­byte gehört heute zur IT-Stein­zeit. Wir bauen Häuser aus „intel­ligen­tem“ Glas und kaufen Bohrer mit super­harten gold­farbigen Schichten im Super­markt. Möglich geworden ist dies alles durch ein Beschichtungs­verfahren, das sich seit den späten 70er Jahren als Magnetron­sputtern etabliert hat.

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Abb. Magnetronsputtern für die Präzisionsoptik:
Interferenzfilter. (Bid: IST)

Die Geschichte der Kathoden­zerstäubung (Sputtering) beginnt im 19. Jahr­hundert. W. R. Grove berich­tete in 1852 als erster über das Phäno­men, das er im Rahmen seiner Unter­suchungen an Nieder­druck-Glimm­ent­ladungen ent­deckte. Es dauerte allerdings mehr als 100 Jahre, bis der Effekt zur indus­triellen Fertigung dünner Schichten genutzt werden konnte. Der eigentliche Durch­bruch gelang schließ­lich mit der Ent­wick­lung der magnetfeld­gestützten Plasma­entladung in den 70er Jahren des vergan­genen Jahr­hun­derts. Die Vielfalt der heute durch Mag­netron­sputtern herstell­baren Schichten ist enorm, neben den reinen Eleme­nten erlauben die reaktiven Varian­ten die Abschei­dung von Oxiden, Nitriden und Carbiden. Magne­tron­plasmen sind relativ problemlos skalierbar, sie liefern dichte und haft­feste Schichten bei Depo­sitions­raten zwischen 1 nm/s und 50 nm/s.

In 1980 präsen­tierten Werkzeug­hersteller die ersten mit Titan­nitrid beschich­teten Bohrer, um die gleiche Zeit begann der Sieges­zug der transparenten Wärme­dämm­verglasung, heute Grund­lage für die enorme Bedeutung von Glas als Konstruk­tions­werkstoff. Die Folge­jahre waren geprägt von großen Heraus­for­derun­gen: Material­ausnutzung und Lang­zeit­stabilität der Prozesse – insbe­sondere bei der Herstel­lung hoch­iso­lierender Schichten – standen im Fokus der Ent­wick­lung. Paradig­men mussten gebrochen werden: die ursprün­glich ebenen Targets wichen Rohren, die höhere Aus­nutzung und Stand­zeiten ermög­lichten. In den 90er Jahren sorgte das Puls­magne­tron­sputtern für eine erneute Revo­lution in der Beschich­tungs­technologie. Parallel dazu ent­wickelten sich Anwen­dungen wie Bauteil- und Werk­zeug­schich­tungen, Archi­tektur­ver­glasung, Flach­displays oder Dünnschicht-Solarzellen.

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Abb. Magnetronsputtern von Titan (oben: konventionell, unten: HIPIMS)

Zu Beginn unseres Jahr­tausends eröffneten sich wiede­rum neue Horizonte: Die Unter­suchun­gen an hoch­ionisierten Plasmen (High Power Impulse Magne­tron Sput­tering oder HIPIMS) zeigten, dass weitere Stei­ge­rungen in der Schicht­qualität möglich sind. „HIPIMS is the future“ froh­locken daher heute einige der Her­steller von Werkzeug­beschich­tungen.

Derzeit ist Magnetron­sputtern auf dem Sieges­zug in einer Diszi­plin, die bisher der Elek­tronen­strahl­bedam­pfung vor­behal­ten war, nämlich der Präzi­sions­optik. Damit schließt sich eine Lücke zwischen hoher Produk­tivität beim Dampfen und der her­vor­ragenden Schicht­qualität beim vergleichs­weise lang­samen Ionen­strahl­zerstäuben.

Die Vakuum in Forschung und Praxis widmet sich mit ihrer Sonder­ausgabe zu Sputter­techniken und ihren Anwen­dungen ganz diesen Themen. Der Beitrag „Plasma auf großer Fläche“ in dieser im August erschienen Ausgabe geht einleitend der Frage nach der „großen Fläche“ nach. Der Begriff ist dehn­bar, daher sei abschlie­ßend ein eindrucks­volles Beispiel für die Leistungs­fähigkeit des Magnetron­sputterns genannt. Vor etwa 25 Jahren begann die Euro­päische Südstern­warte ESO mit der Rea­lisierung des so genannten „Very Large Telescope VLT“, das heute atem­berau­bende Bilder aus den Tiefen des Univer­sums liefert. Das Teleskop besteht aus vier Spiegeln mit je 8,2 Metern Durch­messer (Spiegel­fläche etwa 53 m²). Die für die Funktion notwendigen hoch­reflektie­renden Metall­schichten werden mit Dicken­abwei­chungen von wenigen Nano­metern durch Mag­ne­tron­sputtern aufgebracht, der Be­schich­tungs­prozess war einer der Schlüssel für den erfolg­reichen Abschluss des Projekts. Meines Wissens nach handelt es sich bei diesen Spiegeln (wenn wir von kontinuier­lich durch­laufenden Folien­bahnen ab­sehen) um die größten mono­lithischen Sub­strate, auf die man jemals eine dünne Schicht abge­schie­den hat, und wahr­scheinlich wird sich dies auch in der Zukunft nicht ändern.

Prof. Dr. Günter Bräuer
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Kurator der Vakuum in Forschung und Praxis

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  • 25. January 2018

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