Ein genauerer Blick auf die Technologie zur Dünnschichtabscheidung

Dünne Filme ziehen weiterhin die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich. In diesem Artikel werden aktuelle und eingehendere Forschungsergebnisse zu ihren Anwendungen, variablen Abscheidungsmethoden und zukünftigen Verwendungsmöglichkeiten vorgestellt.
„Film“ ist ein relativer Begriff für ein zweidimensionales (2D) Material, das viel dünner als sein Substrat ist, unabhängig davon, ob es das Substrat bedecken oder zwischen zwei Oberflächen eingelegt werden soll. In aktuellen industriellen Anwendungen liegt die Dicke dieser dünnen Filme typischerweise im Bereich von atomaren Abmessungen im Subnanometerbereich (nm) (d. h. <1 nm) bis zu mehreren Mikrometern (μm). Einschichtiges Graphen hat eine Dicke von einem Kohlenstoffatom (also ~0,335 nm).
Filme wurden in prähistorischen Zeiten zu dekorativen und bildlichen Zwecken verwendet. Heutzutage werden Luxusartikel und Schmuck mit dünnen Schichten aus Edelmetallen wie Bronze, Silber, Gold und Platin beschichtet.
Die häufigste Anwendung von Folien ist der physische Schutz von Oberflächen vor Abrieb, Stößen, Kratzern, Erosion und Abrieb. Diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC) und MoSi2-Schichten werden verwendet, um Automobilmotoren vor Verschleiß und Hochtemperaturkorrosion zu schützen, die durch Reibung zwischen mechanisch beweglichen Teilen verursacht werden.
Dünne Filme werden auch verwendet, um reaktive Oberflächen vor Umwelteinflüssen zu schützen, sei es Oxidation oder Hydratation aufgrund von Feuchtigkeit. Die Abschirmung leitfähiger Filme hat in den Bereichen Halbleiterbauelemente, dielektrische Filmseparatoren, Dünnfilmelektroden und elektromagnetische Interferenz (EMI) große Aufmerksamkeit erhalten. Insbesondere Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) enthalten chemisch und thermisch stabile dielektrische Filme wie SiO2, und komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) enthalten leitende Kupferfilme.
Dünnschichtelektroden erhöhen das Verhältnis von Energiedichte zu Volumen von Superkondensatoren um ein Vielfaches. Darüber hinaus werden dünne Metallfilme und derzeit MXene (Übergangsmetallkarbide, -nitride oder -carbonitride) und Perowskit-Keramikdünnfilme häufig verwendet, um elektronische Komponenten vor elektromagnetischen Störungen abzuschirmen.
Beim PVD wird das Targetmaterial verdampft und in eine Vakuumkammer mit dem Substrat überführt. Allein durch Kondensation beginnen sich Dämpfe auf der Oberfläche des Substrats abzulagern. Das Vakuum verhindert eine Vermischung von Verunreinigungen und Kollisionen zwischen Dampfmolekülen und Restgasmolekülen.
Die in den Dampf eingebrachte Turbulenz, der Temperaturgradient, die Dampfdurchflussrate und die latente Wärme des Zielmaterials spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Gleichmäßigkeit des Films und der Verarbeitungszeit. Zu den Verdampfungsmethoden gehören Widerstandserwärmung, Elektronenstrahlerwärmung und neuerdings auch Molekularstrahlepitaxie.
Die Nachteile herkömmlicher PVD bestehen darin, dass Materialien mit sehr hohem Schmelzpunkt nicht verdampft werden können und dass durch den Verdampfungs-Kondensationsprozess strukturelle Veränderungen im abgeschiedenen Material auftreten. Magnetronsputtern ist die physikalische Abscheidungstechnik der nächsten Generation, die diese Probleme löst. Beim Magnetronsputtern werden Zielmoleküle durch Beschuss mit energiereichen positiven Ionen durch ein von einem Magnetron erzeugtes Magnetfeld ausgestoßen (zerstäubt).
Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Kompaktheit und funktionellen Eigenschaften nehmen Dünnfilme in modernen elektronischen, optischen, mechanischen, photonischen, thermischen und magnetischen Geräten und sogar Dekorationsgegenständen einen besonderen Platz ein. PVD und CVD sind die am häufigsten verwendeten Aufdampfverfahren zur Herstellung dünner Filme mit einer Dicke von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern.
Die endgültige Morphologie des abgeschiedenen Films beeinflusst seine Leistung und Effizienz. Allerdings erfordern Dünnschicht-Aufdampftechniken weitere Forschung, um die Dünnschichteigenschaften auf der Grundlage verfügbarer Prozesseingaben, ausgewählter Zielmaterialien und Substrateigenschaften genau vorherzusagen.
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