Параметры обратного распыления: при каком напряжении смещения осажденная пленка повторно-распыляется?
Будет ли уже нанесенная пленка сбиваться при высоком напряжении смещения?
Ответ: да.
Это явление известно как обратное распыление (или повторное распыление) при PVD.
Как только напряжение смещения превышает критический порог, энергия ионов становится достаточно высокой, чтобы выбить уже осажденные атомы пленки и выбросить их обратно в газовую фазу. Соответственно снижается и процент депозитов. В тяжелых случаях происходит негативное осаждение -, пленка со временем становится тоньше.
Что такое обратное напыление?
При PVD-напылении на поверхности заготовки одновременно происходят два процесса:
Рост пленки: атомы, распыляемые из мишени, движутся к подложке и создают покрытие.
Травление пленки: ионы, ускоренные под действием смещения, бомбардируют заготовку и отбивают уже нанесенные атомы.
Таким образом, чистая ставка депозитов подчиняется этому соотношению:
Чистая скорость осаждения=Скорость осаждения − Скорость повторного распыления -
В нормальных условиях эксплуатации скорость осаждения превышает скорость повторного распыления, поэтому толщина пленки увеличивается. По мере роста напряжения смещения повторное распыление усиливается. В конце концов, скорость удаления атомов может превысить скорость осаждения.
Давайте сначала представим фундаментальное понятие: коэффициент распыления.
Под коэффициентом распыления понимается среднее количество атомов, выбрасываемых при попадании одного иона высокой-энергии в материал. Например, когда ионы аргона с энергией 500 эВ бомбардируют хром (Cr), коэффициент распыления составляет примерно от 0,6 до 0,8 атомов Cr на ион. Как правило, более высокая энергия ионов приводит к более высокому выходу распыления. Следовательно, более высокое напряжение смещения ускоряет скорость удаления материала с поверхности заготовки.
Критическое напряжение смещения различно для разных материалов:
Чистые металлы (Cr, Ti и др.)
50–100 В: нормальное осаждение.
200–300 В: начинается заметное повторное-распыление.
300–500 В: Скорость осаждения приближается к нулю.
Выше 500 В: может произойти травление сетки.
Чистые металлы наиболее подвержены повторному-распылению.
Нитриды (TiN, CrN и др.)
Нитриды имеют более прочные химические связи, из-за чего атомы сложнее вытеснить. Таким образом, их критическое напряжение смещения для значительного повторного распыления выше.
Ниже 200 В: стабильное нормальное осаждение.
300–500 В: очевидное снижение скорости осаждения.
500–800 В: приближение к критическому порогу удаления чистого материала.
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC - это особый случай. Во многих процессах ta-C (тетраэдрический аморфный углерод) используется импульсное смещение от -800 В до -1500 В. Однако благодаря импульсному режиму и умеренной средней энергии ионов стабильное осаждение все еще может поддерживаться. Сильное обратное распыление возникает только при еще более высоких энергиях ионов.
Почему умеренное повторное-напыление полезно
Многие новички ошибочно считают повторное-распыление побочным эффектом, что неверно.
При PVD смещение подложки частично зависит от мягкого повторного-напыления для улучшения качества покрытия. Предпочтительно распыляются слабосвязанные атомы, слабосцепленные частицы и нестабильные микроструктуры. Остаются только плотно связанные, стабильные структуры. Механизм напоминает просеивание песка: рыхлые зерна удаляются, оставляя плотный каркас.
Соответственно, контролируемое мягкое повторное-напыление является ключевым фактором уплотнения пленки.
Проблемы, возникающие из-за чрезмерного повторного-распыления
Проблемы возникают, когда повторное-распыление становится слишком интенсивным:
Сниженная скорость осаждения
Это самое прямое наблюдение. Даже при неизменной целевой мощности толщина пленки увеличивается гораздо медленнее, поскольку вновь нанесенный материал постоянно вытравливается.
Изменение состава сплава
Возьмем в качестве примера TiAlN: алюминий легче повторно -напылить, чем титан. Содержание алюминия в покрытии постепенно снижается, что приводит к отклонению конечного состава от проектного.
Нарушенная кристаллическая структура
Чрезмерно высокое смещение подвергает образовавшуюся кристаллическую решетку постоянной ионной бомбардировке. Последствия включают резкое увеличение собственных напряжений, увеличение количества дефектов, повреждение зеренной структуры, хрупкость покрытий и даже растрескивание пленки.
Практический метод определения оптимального напряжения смещения на производстве
Стандартным подходом является качание напряжения смещения.
Поддерживайте заданную мощность, температуру подложки, рабочее давление и расход газа постоянными; регулируйте только напряжение смещения. Охарактеризуйте скорость осаждения, твердость, остаточное напряжение и состав покрытия для каждого состояния.
В большинстве результатов испытаний твердость покрытия сначала непрерывно возрастает. После достижения определенной точки скорость осаждения резко падает. Этот поворотный момент отмечает начало сильного обратного распыления.
Оптимальное напряжение смещения обычно устанавливается немного ниже этого порога. Он обеспечивает высокую плотность покрытия, избегая при этом чрезмерного повторного распыления.
Распространенное заблуждение
Многие технические специалисты полагают, что более высокое напряжение смещения означает более сложный процесс. Это недоразумение.
Смещение основания можно сравнить с дорожным катком: недостаточное давление не позволяет уплотнить дорожное покрытие; умеренное давление дает гладкую, твердую поверхность; чрезмерное давление разрывает дорожное покрытие.
Краткое содержание
Обратное распыление является внутренним физическим явлением. Чрезмерно высокое смещение позволяет ионам высокой-энергии повторно-протравливать уже нанесенные покрытия.
Умеренное повторное-напыление способствует уплотнению пленки. Однако чрезмерное повторное -напыление приводит к замедлению осаждения, смещению состава, увеличению напряжения и структурной деградации.
Напряжение смещения не превосходит более высокие значения. Состоявшийся процесс обеспечивает баланс: достаточная ионная бомбардировка для уплотнения пленки без разрушения осажденного покрытия.
