W&L: Schüttgut-Sputtern von Edelmetallen

Um einen höheren Beschichtungswirkunsgrad zu erzielen, liegt das Schüttgut bei dieser Sputter-Anlage direkt auf einem speziellen, als Target ausgeführtem Rohr und wird durch dessen Rotation während der Beschichtung kontinuierlich umgewälzt.

Durch Sputtern hergestellte Schichten sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Naturgemäß ist die Beschichtung für großformatige, flache Oberflächen besonders effizient. Es wäre wünschenswert, von den Vorzügen gesputterter Schichten auch bei komplex geformten Oberflächen kleiner Bauteile profitieren zu können. Da die Einzelbestückung kleinster Bauteile, wie Aderendhülsen, Steckverbinder und ähnlichen Bauteilen in einer In-Line- oder Batch-Anlage nicht praktikabel ist und hier auch der Geometrie der Bauteile nur schwer Rechnung getragen werden kann, bietet sich die Beschichtung als Schüttgut an. Hierfür gibt es Lösungen, die häufig so ausgeführt sind, dass sich innerhalb einer Vakuumkammer eine Umwälztrommel für das Schüttgut befindet – ähnlich einem Betonmischer – und ein darin hineinragendes, meist planares, abwärts sputterndes, rechteckiges Magnetron. Während der Beschichtung werden die Bauteile effektiv umgewälzt, jedoch wird die Innenoberfläche der Trommel ebenfalls umfänglich beschichtet. Dies führt zwangsläufig zu hohen Verlusten des eingesetzten Materials und verschlechtert so die Prozesseffizienz deutlich. Hinzu kommt der daraus resultierende erhebliche Aufwand für die regelmäßige Reinigung der Trommel. Auch die Ausbeute des Ausgangsmaterials ist gerade bei planaren Magnetrons nicht optimal, was die Prozesskosten besonders in die Höhe treibt, wenn es gilt, Schichten aus wertvollen Edelmetallen herzustellen.

Drehendes Rohr als Target

Bei planaren Magnetrons steht das Beschichtungsmaterial als Folie oder Platte zur Verfügung. Vor einer Magnetanordnung wird das zum Sputtern benötigte Plasma geformt, dessen Grundfläche bei rechteckigen Targets, dem Spendermaterial, an eine Stadionrennbahn erinnert. Die Targetoberfläche wird hier lokal erodiert und das Target somit ungleichmäßig abgetragen, was die Ausbeute des Materials verringert. Bis der Boden des Targets erreicht wird, bildet sich ein V-förmiges Erosionsprofil aus. Die Targetausbeute liegt typischerweise bei nur 15 bis 25 Prozent, womit ein Großteil des aufwendig hergestellten Targetmaterials nach Gebrauch recycelt werden muss. Massive Verbesserungen gegenüber der oben geschilderten Prozessen lassen sich erreichen, wenn das Target zu einem Rohr geformt werden kann und sich kontinuierlich, konzentrisch um die Magnetfeldanordnung im Innern des Rohres dreht. Dadurch kommt es zu einem nahezu über die gesamte Mantelfläche homogenen Abtrags des Targets. Auf diese Weise sind Targetausbeuten von 50 bis 70 Prozent und sogar mehr zu erreichen. Wegen der gleichmäßigen Erosion der Mantelfläche ergibt sich zudem eine erhöhte Prozessstabilität von Rohrmagnetrons gegenüber der V-förmigen Erosion bei Planartargets.

Hohe Beschichtungsausbeute

Für die Floatglasbeschichtung ist die Verwendung von langen planaren oder rohrförmigen Sputterkathoden, die als lineare Quelle aufgefasst werden können, naheliegend. Folgt in einer sogenannten In-Line-Beschichtungsanlage eine Scheibe der anderen, wird sehr effektiv der gesputterte Abtrag, der quer zum Vorschub der Scheiben angeordneten Targets, auf die Substrate übertragen. Es gibt nur wenig gesputtertes Targetmaterial, das nicht zur Schichtbildung beiträgt. Ungünstiger wird diese Beschichtungsausbeute von gesputtertem zu abgeschiedenem Material bei kleineren oder nicht rechteckigen Substraten, da auch Material über deren Ränder hinaus gesputtert wird. Klar ist, dass die Beschichtungsausbeute besonders an „unförmigen“ 3D-Substraten ungünstig ist. Bei sehr kleinen oder komplex geformten Teilen kann die Beschichtungsausbeute nur wenige Prozent des gesputterten Targetmaterials betragen. Das kann bei entsprechend preisgünstigen Materialien durchaus noch wirtschaftlich sein und findet deshalb in der großtechnischen Produktion auch Anwendung. Sollen jdeoch Substrate mit Edelmetallen beschichtet werden, ist es unverzichtbar, die Target- und Beschichtungsausbeute zu maximieren, da sowohl der reine Materialwert aber teils auch das Recycling kostenintensiv sind. Hierfür müssen Opferflächen, die dem Recycling zugeführt werden müssen, klein gehalten und Verluste vollständig vermieden werden.

Schüttgut-Beschichtungsanlage für Edelmetalle

Als Schüttgut-Beschichtungsanlage, die auf einer Werkbank Platz findet, entspricht das Beschichtungsprinzip der NMS-BM 270 für kleinste 3D-Substrate einem umgekehrten Rohrmagnetron. Ein horizontal rotierendes Rohr, dessen Innenfläche mit dem Target bestückt ist, bildet gleichzeitig die Umwälztrommel und einen Teil des Vakuumgehäuses. Das Schüttgut liegt direkt auf dem Target und wird durch dessen Rotation während der Beschichtung kontinuierlich umgewälzt. Je nach Art der zu beschichtenden Teile kann das Rohr mit einem Schüttgutvolumen von bis zu 300 ml befüllt werden.

Das Magnetfeld ist oben in Drehrichtung leicht versetzt, außerhalb des Vakuums angebracht und sorgt dort für die Ausbildung des Plasmas nahezu auf der gesamten Länge des Targets. Neben der homogenen Erosion des Targets besteht der Vorteil, dass das während des Beschichtungsprozesses nicht auf dem Substrat abgeschiedene Material auf dem Target redeponiert wird und zur weiteren Beschichtung wieder zur Verfügung steht. Nur ein geringer Teil scheidet sich auf den im Verhältnis zum Target kleinen, stirnseitigen Schutzblechen ab. Diese Teile können einfach recycelt und das Edelmetall zurückgewonnen werden. Es gibt keinerlei Materialverluste des Edelmetalls, wie es sonst bei Sputteranlagen üblicher Bauart der Fall wäre. Das Magnetfeld kann durch einen Hubmechanismus angehoben werden, während ein zweites Magnetfeld von unten an das Targetrohr herangefahren wird. Das ermöglicht Sputterätzen der Substrate als Vorreinigung, indem sich das Plasma über dem Schüttgut ausbildet.

Das luftgekühlte Tischgerät wurde unkompliziert gehalten und muss nur mit 230 V und einer Argon-Flasche als Versorgungen verbunden werden. Das Vakuum wird durch eine ölfreie Membran-Vorpumpe und eine Turbo-Molekular-Pumpe (TMP) erzeugt. Die Einstellung des Prozessdrucks erfolgt über eine Massenflussregelung für das Prozessgas. Weiterhin wird ein einfaches Netzteil zur Sputterstromversorgung verwendet, das etwa 270 W Sputterleistung ermöglicht. Die Anlage ist voll automatisiert, ist über einen Touch-Screen zu bedienen und bietet eine Rezeptverwaltung. Zum Befüllen und Entleeren der Trommel kann diese geschwenkt werden. Der Targetwechsel erfolgt bei stehendem Targetrohr innerhalb weniger Minuten. Das Ergebnis der Goldbeschichtung ist oben für zwei verschiedene Schüttgüter zu sehen. Da dieses Beschichtungsprinzip in weiten Grenzen skalierbar ist, sind auch größere und leistungsfähigere Anlagen als Kundenlösung realisierbar.

Damit bietet das vorgestellte Anlagenprinzip deutliche Vorteile bei der Targetausnutzung und beim Auftragswirkungsgrad, sodass insbesondere bei höherwertigen Beschichtungsmaterialien ein relativ schneller ROI zu erwarten ist, sowohl durch die höhere Effizienz der Beschichtung an sich, aber auch durch die reduzierten Reinigungsaufwände und Recyclingkosten.

W&L Coating Systems GmbH
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