Alexander Fromm

Für die Elektronik, Sensorik und Medizintechnik sowie für spezielle Anwendungen in der Tribologie und für den Korrosionsschutz werden dünne, isolierende Beschichtungen benötigt. Diese werden i.d.R. über plasmabasierte PVD-Prozesse wie Magnetronsputtern aufgebracht. Dabei wird meist ein metallisches Target in einer Reaktivgasatmosphäre atomar zerstäubt. Die Prozesse beinhalten dabei in der Regel eine HF- oder MF-Anregung des Plasmas (Hochfrequenz bzw. Mittelfrequenz). Mit HF-Sputtern werden allerdings oftmals unterstöchiometrische Schichten mit einer prozessbedingten, aber unerwünschten Restporosität abgeschieden.

Vor etwa 25 Jahren wurde erstmals HiPIMS (engl. high power impulse magnetron sputtering) beschrieben. HiPIMS-Sputtern stellt eine Weiterentwicklung der gepulsten Gleichspannung (MF) dar, mit dem Ziel, durch hohe Leistungspulse Plasmen mit einer sehr hohen Dichte und hohem Ionisationsgrad zu erzeugen. Durch den hohen Ionisierungsgrad bietet HiPIMS-Sputtern so die Möglichkeit, die kinetische Energie der gesputterten Teilchen mit Hilfe elektrischer Felder zu manipulieren. Zusammen mit den bereits höheren mittleren kinetischen Energien der gesputterten Teilchen ergeben sich signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Sputterverfahren, wie etwa die Erzeugung von Schichten mit hoher Adhäsion und Dichte. Im Vergleich zur konventionellen Abscheidung mit HF sind zudem häufig niedrigere Abscheidetemperaturen zum Erreichen ausgewählter Schichtmikrostrukturen und Kristallmodifikationen realisierbar. Bestimmte gehärtete Stähle können so z.B. erstmals beschichtet werden. Allerdings sind die Abscheideraten niedriger als bei einem HF- oder DC-Prozess gleicher mittlerer Leistung und auch die Prozessstabilisierung ist durch die hohen Peakströme und kurzen Pulsdauern nicht trivial – es kommt oftmals zu elektrischen Überschlägen (Arcing) zwischen isolierenden Bereichen auf dem Target oder sogar zwischen Target und Substrat. Dies führt zu einer sogenannten Dropletbildung, ähnlich wie bei Arc-Verfahren für die Erzeugung teilamorpher Kohlenstoffschichten (ta-C). Die erreichbare Schichtqualität wird so erheblich gemindert. Daher wird in der Literatur diskutiert, HiPIMS im hybriden Prozess mit anderen Abscheidemethoden zu kombinieren, um eine Erhöhung der Abscheiderate und Stabilisierung des Prozesses zu gewährleisten. Dabei wurde beispielsweise schon HiPIMS mit einer Mittelfrequenzanregung (MF) kombiniert.

Durch die gemeinsame Entwicklung mit der MELEC GmbH im Rahmen des ZIM-Projektes »HErO – Hybrides HiPIMS/HF-Sputterverfahren zur wirtschaftlichen Erzeugung kompakter Oxidschichten« ist es nun erstmals gelungen, einen hybriden Prozess mit gleichzeitiger HF- und HiPIMS-Anregung zu realisieren. Dabei ist es möglich, die HF-Anregung sowohl kontinuierlich zu betreiben, als auch mit der HiPIMS-Anregung zu synchronisieren, so dass z.B. die HF nur während den Off-Zeiten der HiPIMS-Anregung wirksam ist. 

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