Paràmetres de pulverització inversa: a quina tensió de polarització es re{0}}esborra la pel·lícula dipositada?
La pel·lícula ja dipositada es trencarà quan la tensió de polarització sigui alta?
La resposta és sí.
Aquest fenomen es coneix com a sputtering inversa (o re{0}}sputtering) en PVD.
Una vegada que la tensió de polarització supera un llindar crític, l'energia iònica esdevé prou alta com per desallotjar els àtoms de pel·lícula ja dipositats i expulsar-los de nou a la fase gasosa. La taxa de deposició disminueix en conseqüència. En casos greus, es produeix una deposició negativa - la pel·lícula s'aprima amb el temps.
Què és la pulverització inversa?
Durant la deposició de PVD, es produeixen dos processos simultàniament a la superfície de la peça de treball:
Creixement de la pel·lícula: els àtoms escampats des de l'objectiu viatgen cap al substrat i formen el recobriment.
Gravat pel·lícula: els ions accelerats per la polarització bombardegen la peça de treball i eliminen els àtoms ja dipositats.
Per tant, la taxa de deposició neta segueix aquesta relació:
Taxa de deposició neta=Taxa de dipòsit - Taxa de re-sputtering
En condicions de funcionament normals, la velocitat de deposició supera la velocitat de re{0}}sputtering, de manera que el gruix de la pel·lícula augmenta. A mesura que augmenta la tensió de polarització, la re-sputtering s'intensifica. Finalment, la velocitat d'eliminació d'àtoms pot superar la velocitat de deposició.
En primer lloc, introduïm el concepte fonamental: el rendiment de la polsada.
El rendiment de la pulverització es refereix al nombre mitjà d'àtoms expulsats quan un ió d'alta -energia colpeja un material. Per exemple, quan els ions d'argó de 500 eV bombardegen crom (Cr), el rendiment de la polverització oscil·la entre 0,6 i 0,8 àtoms de Cr per ió aproximadament. En general, una energia iònica més alta genera un rendiment de polverització catòdica més gran. En conseqüència, una tensió de polarització més alta accelera la velocitat d'eliminació de material de la superfície de la peça.
La tensió de polarització crítica difereix per a diversos materials:
Metalls purs (Cr, Ti, etc.)
50–100 V: deposició normal
200–300 V: comença una re-sputtering perceptible
300–500 V: la taxa de deposició s'acosta a zero
Per sobre de 500 V: es pot produir un gravat a la xarxa
Els metalls purs són els més susceptibles a la re{0}}sputtering.
Nitrurs (TiN, CrN, etc.)
Els nitrurs presenten enllaços químics més forts, cosa que fa que els àtoms siguin més difícils de desallotjar. Per tant, el seu voltatge de polarització crític per a una re-sputtering significativa és més alt.
Per sota de 200 V: deposició normal estable
300–500 V: reducció evident de la taxa de deposició
500–800 V: s'acosta al llindar crític per a l'eliminació de material net
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC és un cas especial. Molts processos ta-C (carboni amorf tetraèdric) utilitzen polarització polsada a -800 V fins a -1500 V. Tanmateix, gràcies al mode polsat i a l'energia d'ions mitjana moderada, encara es pot mantenir una deposició estable. La pulverització inversa severa només emergeix a energies d'ions encara més altes.
Per què la re{0}}sputtering moderada és beneficiosa
Molts nouvinguts consideren erròniament la re{0}}polvoreació com un efecte advers, que és incorrecte.
En PVD, el biaix del substrat depèn parcialment d'una re{0}}polvoreació suau per millorar la qualitat del recobriment. Els àtoms poc lligats, les partícules poc adherides i les microestructures inestables s'eliminen preferentment. Només queden estructures estables i densament enllaçades. El mecanisme s'assembla a la sorra de garbellat: s'eliminen els grans solts, deixant un marc compacte.
En conseqüència, la re{0}}sputtering suau controlada és un factor clau per a la densificació de la pel·lícula.
Problemes derivats de l'excés de re{0}}sputtering
Els problemes es produeixen quan la re-sputtering es torna massa intensa:
Reducció de la taxa de deposició
Aquesta és l'observació més directa. Fins i tot amb una potència objectiu sense canvis, el gruix de la pel·lícula s'acumula molt més lentament, ja que el material recent dipositat es grava contínuament.
Canvi en la composició de l'aliatge
Prengui TiAlN com a exemple: l'alumini és més fàcil de re-que el titani. El contingut d'alumini en el recobriment disminueix gradualment, donant lloc a una composició final que es desvia de l'objectiu de disseny.
Estructura cristal·lina alterada
Un biaix excessivament alt sotmet la xarxa cristal·lina formada a un bombardeig iònic persistent. Les conseqüències inclouen un estrès intrínsec dràsticament elevat, augment de defectes, estructures de gra danyades, recobriments fràgils i fins i tot esquerdes de pel·lícules.
Mètode pràctic per determinar la tensió de polarització òptima en producció
L'escombrat de voltatge de polarització és l'enfocament estàndard.
Mantenir constants la potència objectiu, la temperatura del substrat, la pressió de treball i el flux de gas; només ajusta la tensió de polarització. Caracteritzar la velocitat de deposició, la duresa, la tensió residual i la composició del recobriment per a cada condició.
En la majoria dels resultats de les proves, la duresa del recobriment augmenta contínuament al principi. Després d'arribar a un cert punt, la taxa de deposició disminueix bruscament. Aquest punt d'inflexió marca el lloc on s'inicia la polverització inversa severa.
La tensió de polarització òptima normalment s'estableix lleugerament per sota d'aquest llindar. Ofereix una alta densitat de recobriment alhora que s'evita una re-polvoreació catòdica excessiva.
Un error comú
Molts tècnics assumeixen que una tensió de polarització més alta equival a un procés més avançat. Això és un malentès.
El biaix del substrat es pot analoguar a un corró de carretera: la pressió insuficient no aconsegueix compactar el paviment; pressió moderada produeix una superfície llisa i sòlida; una pressió excessiva raspa la superfície de la carretera.
Resum
La pulverització inversa és un fenomen físic inherent. El biaix excessivament alt permet que els ions d'alta-energia re-regravin els recobriments ja dipositats.
La re{0}}sputtering moderada facilita la densificació de la pel·lícula. Tanmateix, la re-sputtering excessiva provoca una deposició més lenta, una deriva de la composició, un augment de l'estrès i una degradació estructural.
La tensió de polarització no és superior a valors més alts. Un procés madur aconsegueix l'equilibri: bombardeig iònic suficient per densificar la pel·lícula, sense erosionar el recobriment dipositat.
