Käänteiset sputterointiparametrit: Millä esijännitteellä kerrostettu kalvo ruiskutetaan uudelleen?{0}}
Koputetaanko jo kerrostunut kalvo pois, kun esijännite on korkea?
Vastaus on kyllä.
Tämä ilmiö tunnetaan PVD:ssä käänteisenä ruiskutuksena (tai uudelleen{0}}ruiskutuksena).
Kun bias-jännite ylittää kriittisen kynnyksen, ionienergiasta tulee riittävän korkea syrjäyttämään jo kerrostuneet kalvoatomit ja työntämään ne takaisin kaasufaasiin. Saostumisnopeus laskee vastaavasti. Vakavissa tapauksissa tapahtuu negatiivista kerrostumista - kalvo ohenee ajan myötä.
Mikä on käänteinen sputterointi?
PVD-pinnoituksen aikana työkappaleen pinnalla tapahtuu samanaikaisesti kaksi prosessia:
Kalvon kasvu: Kohteesta sputteroidut atomit kulkevat kohti alustaa ja muodostavat pinnoitteen.
Kalvon syövytys: Biasin kiihdytetyt ionit pommittavat työkappaletta ja lyövät pois jo kerrostuneita atomeja.
Siksi nettolaskeumaaste noudattaa tätä suhdetta:
Nettopinnoitusnopeus=laskeumanopeus − uudelleen-ruiskutusnopeus
Normaaleissa käyttöolosuhteissa kerrostumisnopeus ylittää uudelleen{0}}sputterointinopeuden, joten kalvon paksuus kasvaa. Kun esijännite nousee, uudelleen-sputterointi voimistuu. Lopulta atomien poistumisnopeus voi ylittää laskeutumisnopeuden.
Otetaan ensin käyttöön peruskäsite: ruiskutussaanto.
Sputterointisaanto viittaa atomien keskimääräiseen lukumäärään, jotka sinkoutuvat, kun yksi korkean{0}}energinen ioni iskee materiaaliin. Esimerkiksi kun 500 eV argon-ionit pommittavat kromia (Cr), sputterointisaanto vaihtelee karkeasti välillä 0,6-0,8 Cr-atomia ionia kohti. Yleensä korkeampi ionienergia tuottaa suuremman sputterointisaannon. Tämän seurauksena suurempi esijännite nopeuttaa materiaalin poistumisnopeutta työkappaleen pinnalta.
Kriittinen esijännite vaihtelee eri materiaaleilla:
Puhtaat metallit (Cr, Ti jne.)
50–100 V: Normaali kerrostuminen
200–300 V: Huomattava uudelleen-sputterointi alkaa
300–500 V: Laskeumanopeus lähestyy nollaa
Yli 500 V: Verkkosyövytystä saattaa esiintyä
Puhtaat metallit ovat herkimpiä uudelleen{0}}roiskutukselle.
Nitridit (TiN, CrN jne.)
Nitrideillä on vahvempi kemiallinen sidos, mikä tekee atomeista vaikeampaa irrottaa. Siten niiden kriittinen esijännite merkittävässä uudelleen-sputteroinnissa on korkeampi.
Alle 200 V: Stabiili normaali laskeuma
300–500 V: Saostumisnopeuden selvä lasku
500–800 V: Lähestymme nettomateriaalin poiston kriittistä kynnystä
DLC (Diamond{0}}Like Carbon)
DLC on erikoistapaus. Monissa ta-C-prosesseissa (tetraedrinen amorfinen hiili) käytetään pulssijännitettä -800 V aina -1500 V:iin. Pulssimoodin ja kohtuullisen keskimääräisen ionienergian ansiosta stabiili laskeutuminen voidaan kuitenkin säilyttää. Vakavaa käänteistä sputterointia ilmenee vain vielä suuremmilla ionienergioilla.
Miksi maltillinen sputterointi{0}}on hyödyllistä?
Monet uudet tulokkaat pitävät uudelleen{0}}ruiskutusta virheellisesti haittavaikutuksena, mikä on väärin.
PVD:ssä alustan poikkeama perustuu osittain mietoon uudelleen{0}}sputteroimiseen pinnoitteen laadun parantamiseksi. Löyhästi sitoutuneet atomit, heikosti tarttuneet hiukkaset ja epästabiilit mikrorakenteet ruiskutetaan mieluiten pois. Jäljelle jää vain tiiviisti sidottu, vakaa rakenne. Mekanismi muistuttaa seulontahiekkaa: irtonaiset jyvät poistetaan, jolloin jäljelle jää kompakti runko.
Näin ollen hallittu, mieto sputterointi{0}}on avaintekijä kalvon tiivistymisessä.
Liiallisesta uudelleen{0}}roiskutuksesta johtuvat ongelmat
Ongelmia ilmenee, kun uudelleen{0}}sputterointi on liian voimakasta:
Alennettu laskeutumisnopeus
Tämä on suorin havainto. Jopa muuttumattomalla tavoiteteholla kalvon paksuus kasvaa paljon hitaammin, koska juuri kerrostettu materiaali syövytetään jatkuvasti pois.
Vaihto metalliseoksen koostumuksessa
Otetaan esimerkiksi TiAlN: alumiinia on helpompi ruiskuttaa- kuin titaania. Pinnoitteen alumiinipitoisuus vähenee vähitellen, mikä johtaa siihen, että lopullinen koostumus poikkeaa suunnittelutavoitteesta.
Häiriintynyt kiderakenne
Liian suuri bias altistaa muodostuneen kidehilan jatkuvalle ionipommitukselle. Seurauksena on dramaattisesti kohonnut sisäinen jännitys, lisääntyneet viat, vaurioituneet raerakenteet, hauraat pinnoitteet ja jopa kalvon halkeilu.
Käytännön menetelmä optimaalisen esijännitteen määrittämiseksi tuotannossa
Bias jännitteen pyyhkäisy on standardi lähestymistapa.
Pidä tavoiteteho, alustan lämpötila, työpaine ja kaasuvirtaus vakiona; säädä vain esijännitettä. Kuvaile saostumisnopeus, kovuus, jäännösjännitys ja pinnoitekoostumus kussakin tilassa.
Useimmissa testituloksissa pinnoitteen kovuus nousee aluksi jatkuvasti. Tietyn pisteen saavuttamisen jälkeen laskeumanopeus laskee jyrkästi. Tämä käännekohta osoittaa, missä voimakas käänteinen sputterointi alkaa.
Optimaalinen esijännite asetetaan tyypillisesti hieman tämän kynnyksen alapuolelle. Se tuottaa korkean pinnoitetiheyden välttäen samalla liiallista ruiskutusta.
Yleinen väärinkäsitys
Monet teknikot olettavat, että korkeampi esijännite vastaa edistyneempää prosessia. Tämä on väärinkäsitys.
Alustan esijännitys voidaan analogistaa tiejyrälle: riittämätön paine ei tiivistä päällystettä; kohtalainen paine tuottaa sileän, kiinteän pinnan; liiallinen paine raaputtaa tien pintaa.
Yhteenveto
Käänteinen sputterointi on luontainen fyysinen ilmiö. Liian suuri esijännite mahdollistaa korkean-energisten ionien-syövytyksen uudelleen jo kerrostettuja pinnoitteita.
Kohtuullinen uudelleen{0}}sputterointi helpottaa kalvon tiivistymistä. Liiallinen uudelleen-sputterointi aiheuttaa kuitenkin hitaampaa kerrostumista, koostumuksen ajautumista, lisääntynyttä jännitystä ja rakenteen hajoamista.
Bias-jännite ei ole parempi korkeammilla arvoilla. Kypsä prosessi saavuttaa tasapainon: riittävä ionipommitus tiivistää kalvoa kuluttamatta kerrostunutta pinnoitetta.
