Parametri di sputtering inverso: a quale voltaggio di polarizzazione la pellicola depositata viene ri-evaporata?
La pellicola già depositata verrà staccata quando la tensione di polarizzazione è elevata?
La risposta è sì.
Questo fenomeno è noto come reverse sputtering (o re-sputtering) nel PVD.
Una volta che la tensione di polarizzazione supera una soglia critica, l’energia ionica diventa sufficientemente elevata da rimuovere gli atomi della pellicola già depositati ed espellerli nuovamente nella fase gassosa. Il tasso di deposizione diminuisce di conseguenza. Nei casi più gravi, si verifica una deposizione negativa - la pellicola diventa più sottile nel tempo.
Cos'è il Reverse Sputtering?
Durante la deposizione PVD, sulla superficie del pezzo avvengono contemporaneamente due processi:
Crescita del film: gli atomi spruzzati dal bersaglio viaggiano verso il substrato e formano il rivestimento.
Incisione su pellicola: gli ioni accelerati dal bias bombardano il pezzo e staccano gli atomi già depositati.
Pertanto, il tasso di deposito netto segue questa relazione:
Tasso di deposizione netta=Tasso di deposizione − Tasso di re-sputtering
In condizioni operative normali, la velocità di deposizione supera la velocità di re-sputtering, quindi lo spessore del film aumenta. All'aumentare della tensione di polarizzazione, il re-sputtering si intensifica. Alla fine, la velocità degli atomi rimossi può superare la velocità di deposizione.
Introduciamo innanzitutto il concetto fondamentale: la resa dello sputtering.
La resa dello sputtering si riferisce al numero medio di atomi espulsi quando uno ione ad alta-energia colpisce un materiale. Ad esempio, quando ioni di argon da 500 eV bombardano cromo (Cr), la resa dello sputtering varia approssimativamente da 0,6 a 0,8 atomi di Cr per ione. Generalmente, un'energia ionica più elevata genera una resa di sputtering più elevata. Di conseguenza, una tensione di polarizzazione più elevata accelera la velocità di rimozione del materiale dalla superficie del pezzo.
La tensione di polarizzazione critica differisce per i vari materiali:
Metalli puri (Cr, Ti, ecc.)
50–100 V: deposizione normale
200–300 V: inizia un notevole re-sputtering
300–500 V: il tasso di deposizione si avvicina allo zero
Sopra 500 V: può verificarsi un'incisione della rete
I metalli puri sono più suscettibili al re-sputtering.
Nitruri (TiN, CrN, ecc.)
I nitruri presentano legami chimici più forti, rendendo gli atomi più difficili da rimuovere. Pertanto, la loro tensione di polarizzazione critica per un re-sputtering significativo è più elevata.
Sotto 200 V: deposizione normale stabile
300–500 V: evidente riduzione del tasso di deposizione
500–800 V: avvicinamento alla soglia critica per la rimozione netta del materiale
DLC (Diamante-come il carbonio)
Il DLC è un caso speciale. Molti processi ta-C (carbonio amorfo tetraedrico) utilizzano polarizzazione pulsata a -800 V fino a -1500 V. Tuttavia, grazie alla modalità pulsata e all'energia ionica media moderata, è comunque possibile mantenere una deposizione stabile. Un grave sputtering inverso emerge solo a energie ioniche ancora più elevate.
Perché il re-sputtering moderato è vantaggioso
Molti nuovi arrivati considerano erroneamente il re-sputtering come un effetto negativo, il che non è corretto.
Nel PVD, la distorsione del substrato si basa in parte su un leggero re-sputtering per migliorare la qualità del rivestimento. Gli atomi debolmente legati, le particelle poco aderenti e le microstrutture instabili vengono preferibilmente spruzzati via. Rimangono solo strutture stabili e densamente legate. Il meccanismo ricorda quello della setacciatura della sabbia: i granelli sciolti vengono rimossi, lasciando una struttura compatta.
Di conseguenza, un lieve re-sputtering controllato è un fattore chiave per la densificazione della pellicola.
Problemi derivanti da un eccessivo re-sputtering
I problemi si verificano quando il re-sputtering diventa troppo intenso:
Tasso di deposizione ridotto
Questa è l'osservazione più diretta. Anche con una potenza target invariata, lo spessore del film si forma molto più lentamente, poiché il materiale appena depositato viene continuamente rimosso.
Cambiamento nella composizione della lega
Prendiamo ad esempio TiAlN: l'alluminio è più facile da risputterare-rispetto al titanio. Il contenuto di alluminio nel rivestimento diminuisce gradualmente, portando ad una composizione finale che si discosta dall'obiettivo di progettazione.
Struttura cristallina disturbata
Un bias eccessivamente elevato sottopone il reticolo cristallino formato a un bombardamento ionico persistente. Le conseguenze includono stress intrinseco drasticamente elevati, aumento dei difetti, strutture dei grani danneggiate, rivestimenti fragili e persino fessurazioni del film.
Metodo pratico per determinare la tensione di polarizzazione ottimale nella produzione
Lo spazzamento della tensione di polarizzazione è l'approccio standard.
Mantenere costanti la potenza target, la temperatura del substrato, la pressione di esercizio e il flusso di gas; regolare solo la tensione di polarizzazione. Caratterizzare il tasso di deposizione, la durezza, lo stress residuo e la composizione del rivestimento per ciascuna condizione.
Nella maggior parte dei risultati dei test, la durezza del rivestimento inizialmente aumenta continuamente. Dopo aver raggiunto un certo punto, il tasso di deposizione diminuisce drasticamente. Questo punto di svolta segna il punto in cui ha inizio il grave reverse sputtering.
La tensione di polarizzazione ottimale è generalmente impostata leggermente al di sotto di questa soglia. Fornisce un'elevata densità del rivestimento evitando un eccessivo re-sputtering.
Un malinteso comune
Molti tecnici presumono che una tensione di polarizzazione più elevata equivalga a un processo più avanzato. Questo è un malinteso.
La distorsione del substrato può essere paragonata a un rullo compressore: una pressione insufficiente non riesce a compattare la pavimentazione; una pressione moderata produce una superficie liscia e solida; una pressione eccessiva sgretola il manto stradale.
Riepilogo
Lo sputtering inverso è un fenomeno fisico intrinseco. Un bias eccessivamente elevato consente agli ioni ad alta-energia di ri-attaccare i rivestimenti già depositati.
Un moderato re-sputtering facilita la densificazione della pellicola. Tuttavia, un re-sputtering eccessivo provoca una deposizione più lenta, una deriva compositiva, un aumento dello stress e un degrado strutturale.
La tensione di polarizzazione non è superiore a valori più alti. Un processo maturo raggiunge l’equilibrio: un bombardamento ionico sufficiente a densificare la pellicola, senza erodere il rivestimento depositato.
