Parametry napylania odwrotnego: przy jakim napięciu polaryzacji osadzony film zostaje ponownie-rozpylony?
Czy już osadzona folia zostanie usunięta, gdy napięcie polaryzacji będzie wysokie?
Odpowiedź brzmi: tak.
Zjawisko to znane jest jako rozpylanie odwrotne (lub ponowne-rozpylanie) w procesie PVD.
Gdy napięcie polaryzacji przekroczy krytyczny próg, energia jonów staje się wystarczająco wysoka, aby usunąć już osadzone atomy warstwy i wyrzucić je z powrotem do fazy gazowej. Szybkość osadzania odpowiednio spada. W ciężkich przypadkach dochodzi do osadzania się ujemnego materiału, - z biegiem czasu folia staje się cieńsza.
Co to jest rozpylanie odwrotne?
Podczas osadzania PVD na powierzchni przedmiotu obrabianego zachodzą jednocześnie dwa procesy:
Wzrost filmu: Atomy wyrzucone z celu wędrują w stronę podłoża i tworzą powłokę.
Trawienie folii: Jony przyspieszane przez polaryzację bombardują obrabiany przedmiot i strącają już osadzone atomy.
Zatem stopa depozytu netto jest zgodna z zależnością:
Szybkość osadzania netto=Szybkość osadzania − Szybkość ponownego-rozpylania
W normalnych warunkach pracy szybkość osadzania przekracza szybkość ponownego-rozpylania, co powoduje wzrost grubości warstwy. W miarę wzrostu napięcia polaryzacji ponowne-rozpylanie nasila się. Ostatecznie szybkość usuwania atomów może przekroczyć szybkość osadzania.
Najpierw wprowadźmy podstawowe pojęcie: wydajność rozpylania.
Wydajność rozpylania odnosi się do średniej liczby atomów wyrzucanych, gdy jeden jon o wysokiej-energii uderza w materiał. Na przykład, gdy jony argonu o energii 500 eV bombardują chrom (Cr), wydajność rozpylania waha się w przybliżeniu od 0,6 do 0,8 atomów Cr na jon. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa energia jonów generuje wyższą wydajność rozpylania. W konsekwencji wyższe napięcie polaryzacji przyspiesza tempo usuwania materiału z powierzchni przedmiotu obrabianego.
Krytyczne napięcie polaryzacji jest różne dla różnych materiałów:
Czyste metale (Cr, Ti itp.)
50–100 V: Normalne osadzanie
200–300 V: zaczyna się zauważalne-rozpylanie
300–500 V: Szybkość osadzania zbliża się do zera
Powyżej 500 V: Może wystąpić trawienie siatki
Czyste metale są najbardziej podatne na ponowne-napylanie katodowe.
Azotki (TiN, CrN itp.)
Azotki charakteryzują się silniejszymi wiązaniami chemicznymi, przez co atomy są trudniejsze do usunięcia. Zatem ich krytyczne napięcie polaryzacji dla znaczącego ponownego-rozpylania jest wyższe.
Poniżej 200 V: Stabilne normalne osadzanie
300–500 V: Wyraźne zmniejszenie szybkości osadzania
500–800 V: Zbliża się do krytycznego progu usuwania materiału netto
DLC (diament-jak węgiel)
DLC to przypadek szczególny. Wiele procesów ta-C (tetraedryczny węgiel amorficzny) wykorzystuje polaryzację impulsową od -800 V do -1500 V. Jednak dzięki trybowi pulsacyjnemu i umiarkowanej średniej energii jonów nadal można utrzymać stabilne osadzanie. Poważne rozpylanie odwrotne pojawia się tylko przy jeszcze wyższych energiach jonów.
Dlaczego umiarkowane ponowne-rozpylanie jest korzystne
Wielu nowicjuszy błędnie uważa-ponowne rozpylanie za niekorzystny efekt, co jest błędne.
W przypadku PVD odchylenie podłoża częściowo opiera się na łagodnym ponownym-rozpylaniu w celu poprawy jakości powłoki. Preferowane jest rozpylanie luźno związanych atomów, słabo przylegających cząstek i niestabilnych mikrostruktur. Pozostają jedynie gęsto związane, stabilne struktury. Mechanizm przypomina przesiewanie piasku: usuwane są luźne ziarna, pozostawiając zwartą konstrukcję.
W związku z tym kontrolowane, łagodne ponowne rozpylanie-jest kluczowym czynnikiem zagęszczania folii.
Problemy wynikające z nadmiernego-rozpylania
Problemy pojawiają się, gdy-ponowne rozpylanie staje się zbyt intensywne:
Zmniejszona szybkość osadzania
To najbardziej bezpośrednia obserwacja. Nawet przy niezmienionej mocy docelowej grubość warstwy rośnie znacznie wolniej, ponieważ nowo osadzony materiał jest w sposób ciągły wytrawiany.
Zmiana składu stopu
Weźmy na przykład TiAlN: aluminium jest łatwiejsze do ponownego-napylania niż tytan. Zawartość aluminium w powłoce stopniowo maleje, co prowadzi do ostatecznego składu odbiegającego od docelowego projektu.
Zaburzona struktura kryształu
Nadmiernie duże odchylenie naraża utworzoną sieć krystaliczną na trwałe bombardowanie jonami. Konsekwencje obejmują drastycznie podwyższone naprężenia wewnętrzne, zwiększoną liczbę defektów, uszkodzone struktury ziaren, kruche powłoki, a nawet pękanie folii.
Praktyczna metoda określania optymalnego napięcia polaryzacji w produkcji
Przemiatanie napięcia polaryzacji jest podejściem standardowym.
Utrzymuj docelową moc, temperaturę podłoża, ciśnienie robocze i stały przepływ gazu; regulować tylko napięcie polaryzacji. Scharakteryzuj szybkość osadzania, twardość, naprężenia szczątkowe i skład powłoki dla każdego warunku.
W większości wyników testów twardość powłoki początkowo rośnie w sposób ciągły. Po osiągnięciu pewnego punktu szybkość osadzania gwałtownie spada. Ten punkt zwrotny wyznacza miejsce, w którym rozpoczyna się poważne rozpylanie odwrotne.
Optymalne napięcie polaryzacji jest zwykle ustawiane nieco poniżej tego progu. Zapewnia wysoką gęstość powłoki, unikając nadmiernego-rozpylania.
Powszechne nieporozumienie
Wielu techników zakłada, że wyższe napięcie polaryzacji oznacza bardziej zaawansowany proces. To nieporozumienie.
Uginanie podłoża można porównać do walca drogowego: niewystarczający nacisk nie powoduje zagęszczenia nawierzchni; umiarkowany nacisk daje gładką, solidną powierzchnię; nadmierne ciśnienie rozrywa nawierzchnię drogi.
Streszczenie
Odwrotne rozpylanie jest nieodłącznym zjawiskiem fizycznym. Nadmiernie duże odchylenie umożliwia jonom-o wysokiej energii-ponowne wytrawienie już osadzonych powłok.
Umiarkowane ponowne-rozpylanie ułatwia zagęszczanie filmu. Jednak nadmierne-ponowne rozpylanie powoduje wolniejsze osadzanie, dryf składu, zwiększone naprężenia i degradację strukturalną.
Napięcie polaryzacji nie jest lepsze przy wyższych wartościach. Dojrzały proces osiąga równowagę: wystarczające bombardowanie jonami, aby zagęścić warstwę, bez erozji osadzonej powłoki.
