Pöördpritsimise parameetrid: millise nihkepinge juures sadestunud kile pritsib tagasi{0}}?
Kas juba ladestunud kile koputatakse ära, kui eelpinge on kõrge?
Vastus on jah.
Seda nähtust nimetatakse PVD-s pöördputrutamiseks (või re{0}}pritsimiseks).
Kui eelpinge ületab kriitilise läve, muutub iooni energia piisavalt kõrgeks, et eemaldada juba ladestunud kile aatomid ja väljutada need tagasi gaasifaasi. Sadestumise määr langeb vastavalt. Rasketel juhtudel tekib negatiivne sadestumine - kile muutub aja jooksul õhemaks.
Mis on vastupidine pritsimine?
PVD-sadestamise ajal toimub tooriku pinnal korraga kaks protsessi:
Kile kasv: sihtmärgist pihustatud aatomid liiguvad substraadi poole ja moodustavad katte.
Kile söövitamine: nihkega kiirendatud ioonid pommitavad töödeldavat detaili ja koputavad maha juba ladestunud aatomid.
Seetõttu järgib ladestumise netomäär järgmist seost:
Sadestumise netomäär=Sadestumise määr − Re-pihustamise määr
Tavalistes töötingimustes ületab sadestamise kiirus uuesti pihustuskiirust, mistõttu kile paksus suureneb. Kui eelpinge tõuseb, intensiivistub uuesti pritsimine. Lõpuks võib aatomite eemaldamise kiirus ületada sadestumise kiirust.
Tutvustame esmalt põhikontseptsiooni: pihustamise saagis.
Pihustamise saagis viitab keskmisele aatomite arvule, mis väljuvad ühe suure{0}}energiaga iooni tabamisel materjali. Näiteks kui 500 eV argooniioonid pommitavad kroomi (Cr), on pihustussaagis ligikaudu 0,6–0,8 Cr-aatomit iooni kohta. Üldiselt annab suurem ioonienergia suurema pihustussaagise. Järelikult kiirendab kõrgem eelpinge materjali eemaldamise kiirust tooriku pinnalt.
Kriitiline eelpinge on erinevate materjalide puhul erinev:
Puhtad metallid (Cr, Ti jne)
50–100 V: tavaline sadestumine
200–300 V: algab märgatav uuesti pritsimine
300–500 V: sadestumise kiirus läheneb nullile
Üle 500 V: võib esineda võrgu söövitamist
Puhtad metallid on kõige vastuvõtlikumad uuesti{0}}pritsimisele.
Nitriidid (TiN, CrN jne)
Nitriididel on tugevam keemiline side, mis muudab aatomite eemaldamise raskemaks. Seega on nende kriitiline eelpinge olulise re{1}}pritsimise jaoks kõrgem.
Alla 200 V: stabiilne normaalne sadestumine
300–500 V: sadestumise kiiruse ilmne vähenemine
500–800 V: läheneb netomaterjali eemaldamise kriitilisele lävele
DLC (teemant{0}}nagu süsinik)
DLC on erijuhtum. Paljud ta-C (tetraeedriline amorfne süsinik) protsessid kasutavad impulssnihet -800 V kuni -1500 V juures. Tänu impulssrežiimile ja mõõdukale keskmisele ioonienergiale saab siiski säilitada stabiilse sadestumise. Tugev vastupidine pihustamine ilmneb ainult veelgi suurema ioonienergia korral.
Miks on mõõdukas re{0}}pritsimine kasulik?
Paljud uustulnukad peavad re{0}}pritsimist ekslikult kahjulikuks mõjuks, mis on vale.
PVD-s sõltub substraadi kallutatus osaliselt katte kvaliteedi parandamiseks{0}}pihustamisest. Eelistatavalt pritsitakse ära lõdvalt seotud aatomid, nõrgalt kleepunud osakesed ja ebastabiilsed mikrostruktuurid. Alles jäävad vaid tihedalt seotud stabiilsed struktuurid. Mehhanism meenutab sõelumisliiva: lahtised terad eemaldatakse, jättes kompaktse karkassi.
Järelikult on kontrollitud kerge pihustamine{0}} kile tihendamise võtmetegur.
Liigsest pritsimisest{0}} tulenevad probleemid
Probleemid ilmnevad siis, kui uuesti{0}}pritsimine muutub liiga intensiivseks:
Vähendatud ladestuskiirus
See on kõige otsesem tähelepanek. Isegi muutumatu sihtvõimsuse korral kasvab kile paksus palju aeglasemalt, kuna äsja ladestunud materjal söövitatakse pidevalt ära.
Vahetus sulami koostises
Võtke näiteks TiAlN: alumiiniumi on lihtsam uuesti-pritsida kui titaani. Alumiiniumisisaldus kattekihis väheneb järk-järgult, mille tulemusel lõplik koostis erineb kavandatud eesmärgist.
Häiritud kristallstruktuur
Liiga suur nihe allutab moodustunud kristallvõre püsivale ioonide pommitamisele. Tagajärgede hulka kuuluvad drastiliselt suurenenud sisemine pinge, suurenenud defektid, kahjustatud terastruktuurid, rabedad katted ja isegi kile pragunemine.
Praktiline meetod tootmise optimaalse eelpinge määramiseks
Eelpinge pühkimine on standardne lähenemisviis.
Hoidke sihtvõimsus, substraadi temperatuur, töörõhk ja gaasivool konstantsena; reguleerige ainult eelpinget. Iseloomustage iga seisundi sadestumise kiirust, kõvadust, jääkpinget ja katte koostist.
Enamiku katsetulemuste puhul tõuseb katte kõvadus alguses pidevalt. Pärast teatud punkti saavutamist langeb sadestumise määr järsult. See pöördepunkt tähistab seda, kus algab tõsine vastupidine pihustamine.
Optimaalne eelpinge on tavaliselt seatud veidi allapoole seda läve. See tagab kõrge kattetiheduse, vältides samas liigset pritsimist.
Levinud eksiarvamus
Paljud tehnikud eeldavad, et suurem eelpinge võrdub arenenuma protsessiga. See on arusaamatus.
Aluspinna kallutatust saab analoogida teerulliga: ebapiisav surve ei suuda katet tihendada; mõõdukas surve annab sileda, tahke pinna; liigne surve kraabib teekatte laiali.
Kokkuvõte
Vastupidine pihustamine on omane füüsiline nähtus. Liiga suur nihe võimaldab suure-energiaga ioonidel uuesti-söövitada juba ladestunud katteid.
Mõõdukas re{0}}pihustamine hõlbustab kile tihendamist. Kuid liigne re-pihustamine põhjustab aeglasemat sadestumist, koostise triivi, suurenenud pinget ja struktuuri lagunemist.
Eelpinge ei ole kõrgemate väärtuste korral parem. Küps protsess saavutab tasakaalu: piisav ioonidega pommitamine kile tihendamiseks ilma ladestunud katet erodeerimata.
