Parametri obrnutog raspršivanja: Pri kojem naponu prednapona se naneseni film ponovo{0}}uklanja?
Hoće li se već naneseni film ukloniti kada je prednapon visok?
Odgovor je da.
Ova pojava je poznata kao obrnuto raspršivanje (ili re-sputtering) u PVD-u.
Jednom kada prednapon pređe kritični prag, energija jona postaje dovoljno visoka da izbaci atome filma koji su već taloženi i izbacuje ih nazad u gasnu fazu. Shodno tome opada i stopa taloženja. U teškim slučajevima dolazi do negativnog taloženja - film postaje tanji tokom vremena.
Šta je obrnuto prskanje?
Tokom PVD taloženja, dva procesa se istovremeno odvijaju na površini radnog komada:
Rast filma: Atomi raspršeni iz mete putuju prema podlozi i stvaraju premaz.
Jetkanje filma: Joni ubrzani pristrasnošću bombarduju radni predmet i odbacuju već taložene atome.
Stoga, neto stopa taloženja slijedi ovaj odnos:
Neto stopa taloženja=stopa taloženja − stopa re- raspršivanja
U normalnim radnim uslovima, stopa taloženja premašuje -brzinu ponovnog raspršivanja, tako da se debljina filma povećava. Kako napon prednapona raste, ponovno-raspršenje se intenzivira. Na kraju, brzina uklanjanja atoma može premašiti stopu taloženja.
Hajde da prvo predstavimo osnovni koncept: prinos raspršivanja.
Prinos raspršivanja odnosi se na prosječan broj atoma izbačenih kada jedan jon visoke{0}}ene energije udari u materijal. Na primjer, kada joni argona od 500 eV bombardiraju hrom (Cr), prinos raspršivanja kreće se otprilike od 0,6 do 0,8 atoma Cr po ionu. Generalno, veća energija jona stvara veći prinos raspršivanja. Posljedično, veći napon prednapona ubrzava brzinu uklanjanja materijala s površine obratka.
Kritični napon prednapona razlikuje se za različite materijale:
Čisti metali (Cr, Ti, itd.)
50–100 V: Normalno taloženje
200–300 V: Počinje primjetno ponovno prskanje
300–500 V: Brzina taloženja se približava nuli
Iznad 500 V: Može doći do nagrizanja mreže
Čisti metali su najosjetljiviji na ponovno{0}}prskanje.
Nitridi (TiN, CrN, itd.)
Nitridi imaju jaču hemijsku vezu, zbog čega je atome teže ukloniti. Stoga je njihov kritični prednapon za značajno ponovno -raspršenje veći.
Ispod 200 V: Stabilno normalno taloženje
300–500 V: Očigledno smanjenje stope taloženja
500–800 V: Približavanje kritičnom pragu za uklanjanje neto materijala
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC je poseban slučaj. Mnogi ta-C (tetraedarski amorfni ugljik) procesi koriste impulsno bias na -800 V do -1500 V. Međutim, zahvaljujući impulsnom načinu rada i umjerenoj prosječnoj energiji jona, stabilno taloženje se i dalje može održati. Ozbiljno obrnuto raspršivanje nastaje samo pri još većim energijama jona.
Zašto je umjereno re-prskanje korisno
Mnogi novopridošlice pogrešno smatraju ponovno{0}}prskanje štetnim efektom, što je netačno.
Kod PVD-a, pristrasnost podloge se djelimično oslanja na blago ponovno{0}}prskanje radi poboljšanja kvaliteta premaza. Labavo vezani atomi, slabo adherirane čestice i nestabilne mikrostrukture se prvenstveno raspršuju. Ostaju samo gusto povezane, stabilne strukture. Mehanizam podsjeća na prosijavanje pijeska: labava zrna se uklanjaju, ostavljajući kompaktan okvir.
Shodno tome, kontrolirano blago ponovno{0}}nanošenje je ključni faktor za zgušnjavanje filma.
Problemi koji nastaju zbog prekomjernog re-prskanja
Problemi se javljaju kada ponovno{0}}prskanje postane previše intenzivno:
Smanjena stopa taloženja
Ovo je najdirektnije zapažanje. Čak i uz nepromijenjenu ciljnu snagu, debljina filma se gradi mnogo sporije, jer se novonaneseni materijal kontinuirano urezuje.
Pomak u sastavu legure
Uzmimo TiAlN kao primjer: aluminijum je lakše ponovo-prskati nego titanijum. Sadržaj aluminija u premazu postupno se smanjuje, što dovodi do odstupanja konačnog sastava od ciljanog dizajna.
Poremećena kristalna struktura
Previše velika pristranost izlaže formiranu kristalnu rešetku upornom ionskom bombardovanju. Posljedice uključuju drastično povišeno unutrašnje naprezanje, povećane defekte, oštećene strukture zrna, lomljive premaze, pa čak i pucanje filma.
Praktična metoda za određivanje optimalnog prednapona u proizvodnji
Skidanje prednapona je standardni pristup.
Održavajte ciljnu snagu, temperaturu podloge, radni pritisak i protok gasa konstantnim; samo podesiti prednapon. Karakterizirajte brzinu taloženja, tvrdoću, zaostalo naprezanje i sastav premaza za svako stanje.
U većini rezultata ispitivanja, tvrdoća premaza u početku kontinuirano raste. Nakon dostizanja određene tačke, stopa taloženja naglo opada. Ova prekretnica označava gdje počinje ozbiljno obrnuto prskanje.
Optimalni napon prednapona je obično postavljen malo ispod ovog praga. Pruža visoku gustinu premaza uz izbjegavanje prekomjernog ponovnog-prskanja.
Uobičajena zabluda
Mnogi tehničari pretpostavljaju da je veći prednapon jednak naprednijem procesu. Ovo je nesporazum.
Pristrasnost podloge se može usporediti sa valjkom za put: nedovoljan pritisak ne uspijeva da zbije kolovoz; umjeren pritisak daje glatku, čvrstu površinu; prevelik pritisak struže površinu puta.
Rezime
Reverzno raspršivanje je inherentan fizički fenomen. Previše velika pristranost omogućava jonima visoke{1}}energije da re-e nagrizaju već nanesene premaze.
Umjereno ponovno{0}}nanošenje olakšava zgušnjavanje filma. Međutim, prekomjerno re-raspršivanje uzrokuje sporije taloženje, pomjeranje kompozicije, povećano naprezanje i degradaciju strukture.
Bias napon nije bolji pri višim vrijednostima. Zreli proces uspostavlja ravnotežu: dovoljno ionskog bombardiranja da se film zgusne, bez erodiranja nanesenog premaza.
