Parametri obrnjenega naprševanja: Pri kakšni prednapetosti se naneseni film ponovno-naprši?
Ali se bo že odložen film odbil, ko bo prednapetost visoka?
Odgovor je pritrdilen.
Ta pojav je znan kot povratno napršenje (ali ponovno-napršenje) v PVD.
Ko prednapetost preseže kritični prag, postane energija ionov dovolj visoka, da odstrani že naložene atome filma in jih izvrže nazaj v plinsko fazo. Stopnja nanosa ustrezno pade. V hujših primerih pride do negativnega nanosa - film se sčasoma tanjša.
Kaj je Reverse Sputtering?
Med nanašanjem PVD na površini obdelovanca istočasno potekata dva procesa:
Rast filma: Atomi, razpršeni iz tarče, potujejo proti substratu in tvorijo premaz.
Jedkanje filma: Ioni, pospešeni s pristranskostjo, bombardirajo obdelovanec in odbijejo že naložene atome.
Zato stopnja neto depozitov sledi temu razmerju:
Neto stopnja nanosa=Stopnja nanosa − Re-stopnja razprševanja
V normalnih delovnih pogojih hitrost nanašanja presega hitrost ponovnega-naprševanja, zato se debelina filma poveča. Ko prednapetost narašča, se ponovno -razprševanje okrepi. Sčasoma lahko hitrost odstranjenih atomov preseže hitrost usedanja.
Najprej predstavimo temeljni koncept: izkoristek razprševanja.
Izkoristek razprševanja se nanaša na povprečno število atomov, ki se izbijejo, ko en visoko{0}}energijski ion zadene material. Na primer, ko ioni argona s 500 eV bombardirajo krom (Cr), se izkoristek razprševanja giblje približno od 0,6 do 0,8 atoma Cr na ion. Na splošno višja energija ionov povzroči večji izkoristek razprševanja. Posledično višja prednapetost pospeši hitrost odstranjevanja materiala s površine obdelovanca.
Kritična prednapetost se razlikuje za različne materiale:
Čiste kovine (Cr, Ti itd.)
50–100 V: normalno odlaganje
200–300 V: Začne se opazno ponovno -pršenje
300–500 V: stopnja nanašanja se približuje ničli
Nad 500 V: Lahko pride do mrežnega jedkanja
Čiste kovine so najbolj dovzetne za ponovno-naprševanje.
Nitridi (TiN, CrN itd.)
Nitridi imajo močnejšo kemično vez, zaradi česar je težje odstraniti atome. Tako je njihova kritična prednapetost za znatno ponovno -razprševanje višja.
Pod 200 V: Stabilno normalno odlaganje
300–500 V: Očitno zmanjšanje stopnje nanosa
500–800 V: Približevanje kritičnemu pragu za neto odvzem materiala
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC je poseben primer. Številni procesi ta-C (tetraedričnega amorfnega ogljika) uporabljajo impulzno prednapetost pri –800 V do –1500 V. Vendar pa je zaradi impulznega načina in zmerne povprečne energije ionov še vedno mogoče vzdrževati stabilno nanašanje. Hudo povratno razprševanje se pojavi šele pri še višjih energijah ionov.
Zakaj je zmerno re-razprševanje koristno
Številni novinci zmotno menijo, da je ponovno-naprševanje škodljiv učinek, kar ni pravilno.
Pri PVD je pristranskost substrata delno odvisna od blagega ponovnega-naprševanja za izboljšanje kakovosti premaza. Ohlapno vezani atomi, slabo sprijeti delci in nestabilne mikrostrukture se prednostno razpršijo. Ostanejo le gosto povezane, stabilne strukture. Mehanizem spominja na sejanje peska: ohlapna zrna se odstranijo in ostane kompakten okvir.
Zato je nadzorovano blago ponovno-napršenje ključni dejavnik za zgostitev filma.
Težave, ki izhajajo iz pretiranega -naprševanja
Težave se pojavijo, ko ponovno-pršenje postane premočno:
Zmanjšana stopnja odlaganja
To je najbolj neposredna ugotovitev. Tudi pri nespremenjeni ciljni moči se debelina filma povečuje veliko počasneje, saj se na novo naneseni material nenehno jedka.
Sprememba sestave zlitine
Vzemimo za primer TiAlN: aluminij je lažje ponovno-razpršiti kot titan. Vsebnost aluminija v premazu se postopoma zmanjšuje, kar vodi do odstopanja končne sestave od projektiranega cilja.
Motena kristalna struktura
Prevelika pristranskost izpostavi oblikovano kristalno mrežo vztrajnemu ionskemu bombardiranju. Posledice vključujejo drastično povečano notranjo napetost, povečane napake, poškodovane zrnate strukture, krhke prevleke in celo razpoke filma.
Praktična metoda za določanje optimalne prednapetosti v proizvodnji
Pometanje prednapetosti je standardni pristop.
Ohranjajte konstantno ciljno moč, temperaturo podlage, delovni tlak in pretok plina; prilagodite samo prednapetost. Označite hitrost nanašanja, trdoto, preostalo napetost in sestavo premaza za vsak pogoj.
Pri večini rezultatov testov se trdota prevleke najprej stalno povečuje. Ko doseže določeno točko, stopnja nanosa močno pade. Ta prelomnica označuje, kje se začne močno obratno razprševanje.
Optimalna prednapetost je običajno nastavljena nekoliko pod tem pragom. Zagotavlja visoko gostoto nanosa, hkrati pa se izogiba pretiranemu ponovnemu -naprševanju.
Pogosta napačna predstava
Mnogi tehniki domnevajo, da je višja prednapetost enaka naprednejšemu postopku. To je nesporazum.
Nagib podlage lahko primerjamo s cestnim valjarjem: nezadosten pritisk ne zbije pločnika; zmeren pritisk daje gladko, trdno površino; prevelik pritisk strga površino cestišča.
Povzetek
Povratno razprševanje je inherenten fizikalni pojav. Prevelika prednapetost omogoča visoko{1}}energijskim ionom, da ponovno-jedkajo že nanesene premaze.
Zmerno ponovno-naprševanje olajša zgostitev filma. Vendar prekomerno ponovno -naprševanje povzroči počasnejše odlaganje, premikanje kompozicije, povečan stres in strukturno degradacijo.
Prednapetost ni večja pri višjih vrednostih. Zrel postopek vzpostavi ravnovesje: zadostno ionsko bombardiranje za zgostitev filma, ne da bi pri tem razjedli nanešeni premaz.
