Parametrii de pulverizare inversă: la ce tensiune de polarizare este re-pulverizată filmul depus?
Filmul deja depus va fi rupt atunci când tensiunea de polarizare este mare?
Răspunsul este da.
Acest fenomen este cunoscut sub numele de pulverizare inversă (sau re{0}}pulverizare) în PVD.
Odată ce tensiunea de polarizare depășește un prag critic, energia ionică devine suficient de mare pentru a disloca atomii de film deja depuși și a-i ejecta înapoi în faza gazoasă. Rata de depunere scade în consecință. În cazurile severe, apare depunerea negativă - filmul se subțiază în timp.
Ce este pulverizarea inversă?
În timpul depunerii PVD, pe suprafața piesei de prelucrat au loc simultan două procese:
Creșterea peliculei: Atomii pulverizați din țintă se deplasează spre substrat și formează stratul de acoperire.
Gravare pe film: Ionii accelerați de părtinire bombardează piesa de prelucrat și distrug atomii deja depuși.
Prin urmare, rata netă de depunere urmează această relație:
Rata netă de depunere=Rata de depunere - Rata de re-sputtering
În condiții normale de funcționare, viteza de depunere depășește rata de re-pulverizare, astfel încât grosimea filmului crește. Pe măsură ce tensiunea de polarizare crește, re-pulverizarea se intensifică. În cele din urmă, rata de eliminare a atomilor poate depăși rata de depunere.
Să introducem mai întâi conceptul fundamental: randamentul prin pulverizare.
Randamentul pulverizarii se referă la numărul mediu de atomi ejectați atunci când un ion de mare{0}}energie lovește un material. De exemplu, atunci când ionii de argon de 500 eV bombardează crom (Cr), randamentul de pulverizare variază aproximativ de la 0,6 la 0,8 atomi de Cr per ion. În general, o energie ionică mai mare generează un randament mai mare de pulverizare. În consecință, tensiunea de polarizare mai mare accelerează rata de îndepărtare a materialului de pe suprafața piesei de prelucrat.
Tensiunea de polarizare critică diferă pentru diferite materiale:
Metale pure (Cr, Ti, etc.)
50–100 V: depunere normală
200–300 V: începe o re-pulverizare vizibilă
300–500 V: Rata de depunere se apropie de zero
Peste 500 V: poate apărea gravarea rețelei
Metalele pure sunt cele mai susceptibile la re{0}}pulverizare.
Nitruri (TiN, CrN etc.)
Nitrururile prezintă legături chimice mai puternice, ceea ce face atomii mai greu de dislocat. Astfel, tensiunea lor critică de polarizare pentru o re-pulverizare semnificativă este mai mare.
Sub 200 V: depunere normală stabilă
300–500 V: reducere evidentă a ratei de depunere
500–800 V: Se apropie de pragul critic pentru îndepărtarea netă a materialului
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC este un caz special. Multe procese ta-C (carbon amorf tetraedric) utilizează polarizarea pulsată la -800 V până la -1500 V. Cu toate acestea, datorită modului pulsat și energiei ionice medii moderate, depunerea stabilă poate fi încă menținută. Pulverizarea inversă severă apare doar la energii ionice și mai mari.
De ce este benefică pulverizarea moderată de re-
Mulți nou-veniți consideră în mod eronat re{0}}sputtering ca un efect advers, ceea ce este incorect.
În PVD, părtinirea substratului se bazează parțial pe re{0}}pulverizare ușoară pentru a îmbunătăți calitatea acoperirii. Atomii slab legați, particulele slab aderate și microstructurile instabile sunt de preferință eliminate prin pulverizare. Rămân doar structurile stabile, dens legate. Mecanismul seamănă cu nisipul de cernere: boabele vrac sunt îndepărtate, lăsând un cadru compact.
Prin urmare, pulverizarea ușoară controlată este un factor cheie pentru densificarea filmului.
Probleme care decurg din pulverizarea excesivă
Problemele apar odată ce re-pulverizarea devine prea intensă:
Rată redusă de depunere
Aceasta este cea mai directă observație. Chiar și cu puterea țintă neschimbată, grosimea filmului se formează mult mai lent, deoarece materialul nou depus este gravat continuu.
Schimbarea compoziției aliajului
Luați TiAlN ca exemplu: aluminiul este mai ușor de pulverizat- decât titanul. Conținutul de aluminiu din acoperire scade treptat, ceea ce duce la o compoziție finală care se abate de la obiectivul de proiectare.
Structura cristalină perturbată
Prejudiciul excesiv de mare supune rețeaua cristalină formată unui bombardament ionic persistent. Consecințele includ stres intrinsec drastic crescut, defecte crescute, structuri de cereale deteriorate, acoperiri fragile și chiar crăpare a peliculei.
Metodă practică de determinare a tensiunii de polarizare optimă în producție
Măturarea tensiunii de polarizare este abordarea standard.
Menține puterea țintă, temperatura substratului, presiunea de lucru și debitul de gaz constant; reglați doar tensiunea de polarizare. Caracterizați viteza de depunere, duritatea, stresul rezidual și compoziția de acoperire pentru fiecare condiție.
În majoritatea rezultatelor testelor, duritatea acoperirii crește continuu la început. După atingerea unui anumit punct, rata de depunere scade brusc. Acest punct de cotitură marchează locul unde inițiază pulverizarea inversă severă.
Tensiunea de polarizare optimă este de obicei setată puțin sub acest prag. Oferă o densitate mare de acoperire, evitând în același timp pulverizarea excesivă.
O concepție greșită comună
Mulți tehnicieni presupun că o tensiune de polarizare mai mare este egală cu un proces mai avansat. Aceasta este o neînțelegere.
Deplasarea substratului poate fi analogizată cu un tăvălug rutier: presiunea insuficientă nu reușește să compacteze pavajul; presiunea moderată produce o suprafață netedă, solidă; presiunea excesivă zgârie suprafața drumului.
Rezumat
Pulverizarea inversă este un fenomen fizic inerent. Prejudecățile excesiv de ridicate le permite ionilor de-energie ridicată să re-cordarea acoperirilor deja depuse.
Re{0}}pulverizarea moderată facilitează densificarea filmului. Cu toate acestea, re-pulverizarea excesivă provoacă depunere mai lentă, deriva compozițională, stres crescut și degradare structurală.
Tensiunea de polarizare nu este superioară la valori mai mari. Un proces matur atinge echilibrul: un bombardament ionic suficient pentru a densifica filmul, fără a eroda stratul depus.
