Параметри зворотного напилення: за якої напруги зсуву нанесена плівка повторно розпилюється?{0}}
Чи зніметься вже нанесена плівка, коли напруга зміщення висока?
Відповідь - так.
Це явище відоме як зворотне напилення (або повторне-напилення) у PVD.
Як тільки напруга зміщення перевищує критичний поріг, енергія іонів стає достатньо високою, щоб витіснити атоми плівки, які вже осіли, і викинути їх назад у газову фазу. Швидкість осадження відповідно падає. У важких випадках відбувається негативне осадження - плівка з часом стає тоншою.
Що таке зворотне напилення?
Під час PVD напилення на поверхні заготовки одночасно відбуваються два процеси:
Зростання плівки: атоми, що розпорошуються з мішені, рухаються до підкладки та утворюють покриття.
Травлення плівки: іони, прискорені зміщенням, бомбардують заготовку та відбивають уже осідлі атоми.
Таким чином, чистий рівень депонування відповідає такому відношенню:
Чиста швидкість осадження=Швидкість осадження − швидкість повторного{1}}розпилення
За нормальних умов роботи швидкість осадження перевищує швидкість повторного-розпилення, тому товщина плівки збільшується. Коли напруга зміщення зростає, повторне{2}}розпилення посилюється. Зрештою, швидкість видалення атомів може перевищити швидкість осадження.
Давайте спочатку познайомимося з фундаментальним поняттям: продуктивність розпилення.
Коефіцієнт розпилення означає середню кількість атомів, що викидаються, коли один-іон високої енергії стикається з матеріалом. Наприклад, коли іони аргону 500 еВ бомбардують хром (Cr), вихід розпилення коливається приблизно від 0,6 до 0,8 атомів Cr на іон. Як правило, вища енергія іонів генерує вищий вихід розпилення. Отже, більш висока напруга зміщення прискорює швидкість видалення матеріалу з поверхні заготовки.
Критична напруга зміщення відрізняється для різних матеріалів:
Чисті метали (Cr, Ti та ін.)
50–100 В: нормальне осадження
200–300 В: починається помітне повторне-розпилення
300–500 В: швидкість осадження наближається до нуля
Понад 500 В: може статися сітчасте травлення
Чисті метали найбільш чутливі до повторного-розпилення.
Нітриди (TiN, CrN та ін.)
Нітриди мають сильніший хімічний зв’язок, через що атоми важче вибити. Таким чином, їх критична напруга зміщення для значного повторного-розпилення вища.
Нижче 200 В: стабільне нормальне осадження
300–500 В: очевидне зниження швидкості осадження
500–800 В: наближення до критичного порогу чистого видалення матеріалу
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC – особливий випадок. Багато процесів ta-C (тетраедричного аморфного вуглецю) використовують імпульсне зміщення від -800 В до -1500 В. Однак завдяки імпульсному режиму та помірній середній енергії іонів можна підтримувати стабільне осадження. Інтенсивне зворотне розпилення виникає лише при ще вищих енергіях іонів.
Чому корисно помірне повторно{0}}напилення
Багато новачків помилково вважають пере{0}}розпилення побічним ефектом, що є неправильним.
У PVD зміщення підкладки частково залежить від м’якого повторного -напилення для покращення якості покриття. Атоми з слабким зв’язком, слабко зчеплені частинки та нестабільні мікроструктури переважно розпилюються. Залишаються лише щільно скріплені стійкі структури. Механізм нагадує просіювання піску: сипучі зерна видаляються, залишаючи компактний каркас.
Відповідно, контрольоване м’яке повторне -напилення є ключовим фактором ущільнення плівки.
Проблеми, що виникають через надмірне повторно-напилення
Проблеми виникають, коли-розпилення стає надто інтенсивним:
Знижена швидкість осадження
Це найпряміше спостереження. Навіть при незмінній цільовій потужності товщина плівки наростає набагато повільніше, оскільки щойно нанесений матеріал постійно витравлюється.
Зміна складу сплаву
Візьмемо для прикладу TiAlN: алюміній легше повторно -напилювати, ніж титан. Вміст алюмінію в покритті поступово зменшується, що призводить до відхилення кінцевого складу від запланованого.
Порушена кристалічна структура
Надмірно високе зміщення піддає утворену кристалічну решітку постійному іонному бомбардуванню. Наслідки включають різке підвищення внутрішньої напруги, збільшення дефектів, пошкодження зернистої структури, крихке покриття і навіть розтріскування плівки.
Практичний метод визначення оптимальної напруги зсуву на виробництві
Розгортка напруги зсуву є стандартним підходом.
Підтримуйте цільову потужність, температуру основи, робочий тиск і потік газу постійними; лише регулюйте напругу зміщення. Охарактеризуйте швидкість осадження, твердість, залишкову напругу та склад покриття для кожної умови.
У більшості результатів випробувань твердість покриття спочатку постійно зростає. Після досягнення певної точки швидкість осадження різко падає. Цей поворотний момент позначає, де починається серйозне зворотне розпилення.
Оптимальна напруга зміщення зазвичай встановлюється трохи нижче цього порогу. Він забезпечує високу щільність покриття, уникаючи надмірного повторного-напилення.
Поширена помилка
Багато техніків припускають, що більша напруга зсуву означає більш складний процес. Це непорозуміння.
Ухил основи можна порівняти з дорожнім катком: недостатній тиск не ущільнює покриття; помірний тиск дає гладку тверду поверхню; надмірний тиск дряпає поверхню дороги.
Резюме
Зворотне розпилення є природним фізичним явищем. Надмірно високе зміщення дозволяє високо{1}}енергетичним іонам -повторно травити вже нанесені покриття.
Помірне повторне -напилення сприяє ущільненню плівки. Однак надмірне повторне -напилення спричиняє повільніше осадження, зміну складу, збільшення напруги та деградацію структури.
Напруга зміщення не перевершує при більших значеннях. Зрілий процес забезпечує баланс: достатнє іонне бомбардування для ущільнення плівки без руйнування нанесеного покриття.
