Optimale Nutzung von Sputter-Targets

Durch die in den Sputterköpfen eingesetzten Magnete ergibt sich oft eine Abnutzung des Targets vermehrt in der Mitte bzw. ringförmig.

Durch die Wahl der richtigen Prozessparameter kann man die einseitige Abnutzung verringern:
1. Sputterstrom
2. Argondruck (möglichst reines Gas, gutes Spülen der Kammer vor dem Sputtern)
3. Optimale Schichtdicke
4. Vermeidung von Kontamination des Targets
5. Targetlegierungen („Inselbildung“)

Sputterschichten bilden anders als in der Hochvakuumbedampfung keine geschlossenen Flächen, sondern eine dünne Schicht aus kleinen Inseln aus. Eine entsprechend gute Leitfähigkeit der Sputterschicht wird sich demnach erst dann ausbilden, wenn die Inseln zusammenwachsen (z.B. bei Gold >10nm).

Für den Einsatz von Sputterschichten für die Elektronenmikroskopie werden verschiedene Targetmaterialien angeboten. Die Wahl des Targetmaterials ist vom Elektronenmikroskop und den Untersuchungsanforderungen abhängig.
Eine hohe Sputterrate mit hohem Strom ist bei flachen, relativ unempfindlichen Proben zu verwenden. Bei empfindlichen Proben erhält man durch diffuses Sputtern (höherer Druck des Argons) eine sehr feine Schicht. Dies ermöglicht eine Beschichtung auch in „Verschattungen“ hinein, erhöht aber die ungleichmäßige Abnutzung des Targets.

Für Elektronenmikroskope mit Wolfram oder LaB6-Kathode werden häufig folgende Targetmaterialien eingesetzt:

  • Gold / Gold ist eines der am häufigsten eingesetzten Materialien. Die Schichten zeigen eine sehr gute Leitfähigkeit. Aufgrund des Edelmetallcharakters oxidieren die Sputterschichten nicht. Die Inselgröße liegt im Bereich von 2-10nm
  • Gold/Palladium – Wird eingesetzt wenn kleine Inselgrößen gefordert sind. Diese liegen typischerweise im Bereich von 2-5nm
  • Silber, Kupfer – Für bestimmte Anwendungen nutzt man Silber oder Kupferbeschichtungen, muss früher oder später jedoch die Oxidation der Schichten in Kauf nehmen.

Elektronenmikroskope mit Feldemissionskathode liefern Bilder mit einer sehr feinen Auflösung. Daher sind höhere Anforderungen an die Beschichtung der Proben gestellt. Für diesen Zweck wählt man Targetmaterialien wie Chrom (allerdings zügige Oxidation) oder Platin, die eine sehr feine Inselbildung zeigen (<0,5nm). Für solche feinkörnigen Schichten kommt ein Hochvakuum-Sputtercoater zum Einsatz.

Element Dichte in g/cm3 Sputtercoater-Art
Cr 7,19 Hochvakuum
Cu 8,93 Feinvakuum, Hochvakuum
Ag 10,50 Feinvakuum, Hochvakuum
Au/Pd 60-40 16,38 Feinvakuum, Hochvakuum
Au/Pd 80-20 17,84 Feinvakuum, Hochvakuum
Au 19,30 Feinvakuum, Hochvakuum
Pt 21,45 Hochvakuum

So verlängern Sie die Standzeit Ihres Targets:

1. Die Targets sollten nicht mit den bloßen Händen berührt werden (Fettablagerungen).

2. Die Kammer sollte vor dem Sputtern möglichst mehrmals mit reinem Argongas gut gespült werden, um Fremdgase und vor allem Wasserdampf zu entfernen. Auf saubere Dichtungen ist zu achten, damit keine Luft durch ein Leck einströmen kann. Die Kammer sollte regelmäßig gesäubert werden, da zu dick besputterte Flächen Getterflächen darstellen bzw. die Oberfläche der Kammer unnötig vergrößern und so mehr Fremdgas (Luft, Wasser) adsorbieren können.

3. Kontaminierte Bereiche (durch Ausgasen der Probe) machen sich auf dem Target als braune/dunkle Schicht bemerkbar. Diese Schicht behindert das Absputtern an dieser Stelle, wodurch die ungleichmäßige Nutzung des Targets steigt. Die Kontamination lässt sich oft durch einen kurzzeitigen Sputtervorgang mit hohem Strom bei relativ niedrigem Argondruck vom Target entfernen.

4. Für viele Sputtercoater gibt es auf dem Markt alternative Permanentmagnetsysteme. Das Magnetsystem ist für die Ablenkung der Ionen in Richtung Target verantwortlich. Diese Alternativen wurden entwickelt um eine Feldlinienkonfiguration zu erzeugen, welche die Targetfläche wesentlich effizienter nutzt.