Parametre spätného naprašovania: Pri akom predpätí sa nanesená fólia znovu rozpráši-?
Odtrhne sa už uložený film, keď je predpätie vysoké?
Odpoveď je áno.
Tento jav je známy ako reverzné naprašovanie (alebo re{0}}naprašovanie) v PVD.
Akonáhle predpätie prekročí kritický prah, energia iónov sa stane dostatočne vysokou na to, aby uvoľnila už uložené atómy filmu a vyvrhla ich späť do plynnej fázy. V súlade s tým klesá rýchlosť depozície. V závažných prípadoch dochádza k negatívnemu ukladaniu - film sa časom stenčuje.
Čo je spätné naprašovanie?
Počas PVD nanášania prebiehajú na povrchu obrobku súčasne dva procesy:
Rast filmu: Atómy rozprášené z terča sa pohybujú smerom k substrátu a vytvárajú povlak.
Leptanie filmu: Ióny urýchlené predpätím bombardujú obrobok a odrážajú už uložené atómy.
Čistá miera depozície sa preto riadi týmto vzťahom:
Čistá depozičná rýchlosť=Depozičná rýchlosť – re-rýchlosť naprašovania
Za normálnych prevádzkových podmienok rýchlosť nanášania presahuje rýchlosť opätovného{0}}rozprašovania, takže hrúbka filmu sa zvyšuje. Keď sa predpätie zvýši, opätovné{2}}rozprašovanie sa zintenzívni. V konečnom dôsledku môže rýchlosť odstraňovania atómov prekročiť rýchlosť depozície.
Najprv predstavme základný koncept: výťažnosť naprašovania.
Výťažok naprašovania sa vzťahuje na priemerný počet atómov vyvrhnutých, keď jeden vysokoenergetický ión narazí na materiál. Napríklad, keď 500 eV argónové ióny bombardujú chróm (Cr), výťažok naprašovania sa pohybuje približne od 0,6 do 0,8 atómov Cr na ión. Vo všeobecnosti vyššia energia iónov generuje vyšší výťažok rozprašovania. V dôsledku toho vyššie predpätie urýchľuje rýchlosť úberu materiálu z povrchu obrobku.
Kritické predpätie sa líši pre rôzne materiály:
Čisté kovy (Cr, Ti atď.)
50–100 V: Normálne ukladanie
200 – 300 V: Začne znateľné re{2}}rozprašovanie
300–500 V: Rýchlosť vylučovania sa blíži k nule
Nad 500 V: Môže dôjsť k leptaniu siete
Čisté kovy sú najviac náchylné na opätovné{0}}rozprašovanie.
Nitridy (TiN, CrN atď.)
Nitridy sa vyznačujú silnejšou chemickou väzbou, vďaka čomu sa atómy ťažšie uvoľňujú. Preto je ich kritické predpätie pre výrazné opätovné{1}rozprašovanie vyššie.
Pod 200 V: Stabilná normálna depozícia
300–500 V: Zrejmé zníženie rýchlosti nanášania
500–800 V: Približovanie sa ku kritickému prahu pre čistý úber materiálu
DLC (diamantový-ako uhlík)
DLC je špeciálny prípad. Mnohé procesy ta-C (tetraedrický amorfný uhlík) využívajú pulzné predpätie pri -800 V až -1500 V. Vďaka pulznému režimu a miernej priemernej energii iónov je však stále možné udržiavať stabilné ukladanie. Silné spätné rozprašovanie sa objavuje len pri ešte vyšších iónových energiách.
Prečo je mierne re{0}}odprašovanie prospešné
Mnoho nováčikov mylne považuje re{0}}odprašovanie za nepriaznivý účinok, čo je nesprávne.
Pri PVD skreslenie substrátu čiastočne závisí od mierneho opätovného{0}}rozprašovania na zlepšenie kvality povlaku. Voľne viazané atómy, slabo priľnuté častice a nestabilné mikroštruktúry sú prednostne rozprašované. Zostanú len husto spojené, stabilné štruktúry. Mechanizmus pripomína preosievanie piesku: voľné zrná sa odstránia a zanechajú kompaktný rám.
Riadené mierne opätovné{0}}rozprašovanie je preto kľúčovým faktorom zhutňovania filmu.
Problémy vznikajúce v dôsledku nadmerného{0}}prskania
Problémy sa vyskytnú, keď sa re{0}}rozprašovanie stane príliš intenzívnym:
Znížená rýchlosť depozície
Toto je najpriamejšie pozorovanie. Dokonca aj pri nezmenenej cieľovej sile sa hrúbka filmu vytvára oveľa pomalšie, pretože novo nanesený materiál sa neustále odleptá.
Posun v zložení zliatiny
Ako príklad si vezmite TiAlN: hliník sa dá ľahšie znovu{0}}naprášiť ako titán. Obsah hliníka v povlaku postupne klesá, čo vedie ku konečnému zloženiu, ktoré sa odchyľuje od projektovaného cieľa.
Narušená kryštálová štruktúra
Príliš vysoká odchýlka vystavuje vytvorenú kryštálovú mriežku trvalému bombardovaniu iónmi. Dôsledky zahŕňajú drasticky zvýšené vnútorné napätie, zvýšené defekty, poškodené štruktúry zŕn, krehké povlaky a dokonca aj praskanie filmu.
Praktická metóda na určenie optimálneho predpätia vo výrobe
Štandardným prístupom je zametanie predpätia.
Udržujte cieľový výkon, teplotu substrátu, pracovný tlak a prietok plynu konštantné; upravte iba predpätie. Charakterizujte rýchlosť nanášania, tvrdosť, zvyškové napätie a zloženie povlaku pre každý stav.
Vo väčšine výsledkov testov tvrdosť povlaku spočiatku neustále stúpa. Po dosiahnutí určitého bodu rýchlosť depozície prudko klesá. Tento bod obratu označuje miesto, kde začína silné spätné rozprašovanie.
Optimálne predpätie je zvyčajne nastavené mierne pod týmto prahom. Poskytuje vysokú hustotu povlaku a zároveň zabraňuje nadmernému{1}}rozprašovaniu.
Bežná mylná predstava
Mnoho technikov predpokladá, že vyššie predpätie sa rovná pokročilejšiemu procesu. Ide o nedorozumenie.
Predpätie podkladu možno prirovnať k cestnému valcu: nedostatočný tlak nedokáže zhutniť vozovku; mierny tlak poskytuje hladký, pevný povrch; nadmerný tlak škriabe povrch vozovky.
Zhrnutie
Spätné naprašovanie je prirodzený fyzikálny jav. Príliš vysoká odchýlka umožňuje vysoko{1}}energetickým iónom re-leptať už nanesené povlaky.
Mierne re{0}}rozprašovanie uľahčuje zahusťovanie filmu. Avšak nadmerné re{2}}naprašovanie spôsobuje pomalšie usadzovanie, kompozičný posun, zvýšené napätie a degradáciu štruktúry.
Predpätie nie je lepšie pri vyšších hodnotách. Vyspelý proces naráža na rovnováhu: dostatočné bombardovanie iónmi na zhutnenie filmu bez erózie naneseného povlaku.
