Fordított porlasztási paraméterek: Mekkora előfeszítési feszültség mellett{0}}porlódik ki a lerakódott film?
A már lerakódott fólia leütődik, ha az előfeszítési feszültség magas?
A válasz igen.
Ezt a jelenséget fordított porlasztásnak (vagy re{0}}porlasztásnak) nevezik a PVD-ben.
Amint az előfeszítési feszültség túllép egy kritikus küszöböt, az ionenergia kellően magas lesz ahhoz, hogy a már lerakódott filmatomokat elmozdítsa és visszadobja a gázfázisba. A lerakódási arány ennek megfelelően csökken. Súlyos esetekben negatív lerakódás lép fel - a film idővel elvékonyodik.
Mi az a fordított porlasztás?
A PVD leválasztás során a munkadarab felületén egyszerre két folyamat megy végbe:
Filmnövekedés: A célpontról kipermetezett atomok a hordozó felé haladnak, és felépítik a bevonatot.
Filmmaratás: Az előfeszítéssel felgyorsított ionok bombázzák a munkadarabot, és leütik a már lerakódott atomokat.
Ezért a nettó lerakódási arány a következő összefüggést követi:
Nettó lerakódási arány=lerakódási arány − újra-porlasztási arány
Normál működési körülmények között a lerakódási sebesség meghaladja az újra-porlasztási sebességet, így a film vastagsága megnő. Ahogy az előfeszítési feszültség nő, az újra-porlasztás felerősödik. Végül az atomok eltávolításának sebessége meghaladhatja a lerakódási sebességet.
Először is mutassuk be az alapfogalmat: a porlasztási hozamot.
A porlasztási hozam a nagy{0}}energiájú ion anyagba ütközésekor kilökődő atomok átlagos számát jelenti. Például amikor 500 eV-os argonionok bombázzák a krómot (Cr), a porlasztási hozam nagyjából 0,6-0,8 Cr atom iononként. Általában a nagyobb ionenergia nagyobb porlasztási hozamot eredményez. Következésképpen a nagyobb előfeszítési feszültség felgyorsítja az anyag eltávolítási sebességét a munkadarab felületéről.
A kritikus előfeszítési feszültség különböző anyagoknál eltérő:
Tiszta fémek (Cr, Ti, stb.)
50–100 V: Normál lerakódás
200–300 V: Észrevehető újra-porlasztás kezdődik
300–500 V: A lerakódási sebesség a nullához közelít
500 V felett: Hálómarás előfordulhat
A tiszta fémek a leginkább érzékenyek az újra{0}}porlasztásra.
Nitridek (TiN, CrN stb.)
A nitridek erősebb kémiai kötéssel rendelkeznek, így az atomok nehezebben mozdulnak el. Így a jelentős re{1}}porlasztáshoz szükséges kritikus előfeszítési feszültségük magasabb.
200 V alatt: Stabil normál lerakódás
300–500 V: A lerakódási sebesség nyilvánvaló csökkenése
500–800 V: A nettó anyageltávolítás kritikus küszöbéhez közeledik
DLC (Diamond{0}}Like Carbon)
A DLC egy speciális eset. Számos ta-C (tetraéderes amorf szén) eljárás impulzusos előfeszítést alkalmaz -800 V és -1500 V között. Az impulzus üzemmódnak és a mérsékelt átlagos ionenergiának köszönhetően azonban a stabil lerakódás továbbra is fenntartható. Erős fordított porlasztás csak még nagyobb ionenergiáknál jelentkezik.
Miért előnyös a mérsékelt újra{0}}porlasztás?
Sok újonnan érkező tévedésből{0}}rossz hatásnak tekinti a porlasztást, ami helytelen.
A PVD-ben az alapfelület torzítása részben az enyhe re{0}}porlasztástól függ a bevonat minőségének javítása érdekében. A lazán kötött atomokat, a gyengén tapadó részecskéket és az instabil mikrostruktúrákat előnyösen kiporlasztják. Csak sűrűn kötött, stabil szerkezetek maradnak meg. A mechanizmus a szitáló homokra hasonlít: a laza szemcséket eltávolítják, így kompakt keret marad.
Ennek megfelelően a szabályozott enyhe re{0}}porlasztás kulcsfontosságú tényező a filmsűrűség szempontjából.
A túlzott re{0}}porlasztásból eredő problémák
Problémák lépnek fel, ha az újra{0}}porlasztás túl intenzívvé válik:
Csökkentett lerakódási sebesség
Ez a legközvetlenebb megfigyelés. Még változatlan célteljesítmény mellett is sokkal lassabban nő a film vastagsága, mivel az újonnan felvitt anyagot folyamatosan lemarják.
Váltás az ötvözet összetételében
Vegyük például a TiAlN-t: az alumíniumot könnyebben lehet újra-permetezni, mint a titánt. A bevonat alumíniumtartalma fokozatosan csökken, ami ahhoz vezet, hogy a végső összetétel eltér a tervezési céltól.
Zavart kristályszerkezet
A túl nagy torzítás a kialakult kristályrácsot tartós ionbombázásnak teszi ki. A következmények közé tartozik a drasztikusan megnövekedett belső feszültség, megnövekedett hibák, sérült szemcseszerkezetek, törékeny bevonatok és még a film repedése is.
Gyakorlati módszer az optimális előfeszítési feszültség meghatározására a termelésben
Az előfeszítési feszültség söpörése a standard megközelítés.
Tartsa állandóan a célteljesítményt, az aljzat hőmérsékletét, az üzemi nyomást és a gázáramlást; csak az előfeszítési feszültséget állítsa be. Jellemezze a lerakódási sebességet, a keménységet, a maradék feszültséget és a bevonat összetételét az egyes állapotokhoz.
A legtöbb vizsgálati eredménynél a bevonat keménysége kezdetben folyamatosan emelkedik. Egy bizonyos pont elérése után a lerakódási sebesség meredeken csökken. Ez a fordulópont jelzi azt, ahol súlyos fordított porlasztás indul meg.
Az optimális előfeszítési feszültség általában valamivel e küszöbérték alá van beállítva. Nagy bevonatsűrűséget biztosít, miközben elkerüli a túlzott újra-porlasztást.
Gyakori tévhit
Sok technikus feltételezi, hogy a magasabb előfeszítési feszültség fejlettebb folyamatnak felel meg. Ez egy félreértés.
Az aljzat torzítása az úthengerhez hasonlítható: az elégtelen nyomás nem tömöríti a burkolatot; a mérsékelt nyomás sima, szilárd felületet eredményez; a túlzott nyomás szétkaparja az útfelületet.
Összegzés
A fordított porlasztás eredendő fizikai jelenség. A túl nagy torzítás lehetővé teszi a nagy-energiájú ionok-újramarását a már lerakódott bevonatokon.
A mérsékelt újra{0}}porlasztás megkönnyíti a filmsűrűséget. A túlzott újra-porlasztás azonban lassabb lerakódást, összetételbeli eltolódást, fokozott feszültséget és szerkezeti leromlást okoz.
Az előfeszítési feszültség nem jobb magasabb értékeknél. Egy érett folyamat megtalálja az egyensúlyt: elegendő ionbombázás a film sűrűsödéséhez anélkül, hogy a lerakódott bevonatot erodálná.
