Parametrar för omvänd sputtering: Vid vilken biasspänning blir den avsatta filmen åter-förstoftad bort?
Kommer den redan avsatta filmen att slås av när förspänningen är hög?
Svaret är ja.
Detta fenomen är känt som omvänd sputtering (eller re-sputtering) i PVD.
När väl förspänningen överstiger ett kritiskt tröskelvärde, blir jonenergin tillräckligt hög för att avlägsna filmatomer som redan är avsatta och skjuta ut dem tillbaka till gasfasen. Deponeringshastigheten sjunker i enlighet med detta. I svåra fall sker negativ avlagring - filmen blir tunnare med tiden.
Vad är omvänd sputtering?
Under PVD-avsättning sker två processer samtidigt på arbetsstyckets yta:
Filmtillväxt: Atomer som sputteras från målet färdas mot substratet och bygger upp beläggningen.
Filmetsning: Joner som accelereras av förspänning bombarderar arbetsstycket och slår av redan avsatta atomer.
Därför följer nettoavsättningshastigheten detta förhållande:
Nettodepositionshastighet=Depositionshastighet − Om-sputterhastighet
Under normala driftsförhållanden överstiger avsättningshastigheten om-förstoftningshastigheten, så filmtjockleken ökar. När förspänningen stiger, intensifieras om-sputtering. Så småningom kan hastigheten för atomer som avlägsnas överstiga avsättningshastigheten.
Låt oss först introducera det grundläggande konceptet: sputtering yield.
Sputtringsutbyte hänvisar till det genomsnittliga antalet atomer som kastas ut när en hög-joner med hög energi träffar ett material. Till exempel, när 500 eV argonjoner bombarderar krom (Cr), sträcker sig sputtringsutbytet ungefär från 0,6 till 0,8 Cr-atomer per jon. Generellt genererar högre jonenergi ett högre förstoftningsutbyte. Följaktligen accelererar högre förspänning avlägsningshastigheten av material från arbetsstyckets yta.
Den kritiska förspänningen skiljer sig för olika material:
Rena metaller (Cr, Ti, etc.)
50–100 V: Normal deposition
200–300 V: Märkbar re-sprutning börjar
300–500 V: Deponeringshastigheten närmar sig noll
Över 500 V: Nätetsning kan förekomma
Rena metaller är mest mottagliga för om-förstoftning.
Nitrider (TiN, CrN, etc.)
Nitrider har starkare kemisk bindning, vilket gör atomer svårare att lossna. Därför är deras kritiska förspänning för betydande om-förstoftning högre.
Under 200 V: Stabil normal deposition
300–500 V: Uppenbar minskning av deponeringshastighet
500–800 V: Närmar sig den kritiska tröskeln för nettomaterialavlägsnande
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC är ett specialfall. Många ta-C-processer (tetraedriskt amorft kol) använder pulsad förspänning vid -800 V upp till -1500 V. Men tack vare det pulsade läget och måttlig genomsnittlig jonenergi kan stabil avsättning fortfarande upprätthållas. Allvarlig omvänd sputtering uppstår endast vid ännu högre jonenergier.
Varför måttlig re-sputtering är fördelaktigt
Många nykomlingar betraktar felaktigt re-sputtering som en negativ effekt, vilket är felaktigt.
I PVD beror substratbias delvis på mild om-förstoftning för att förbättra beläggningskvaliteten. Löst bundna atomer, svagt vidhäftade partiklar och instabila mikrostrukturer sputters företrädesvis bort. Endast tätt bundna, stabila strukturer återstår. Mekanismen liknar siktsand: lösa korn tas bort och lämnar en kompakt ram.
Följaktligen är kontrollerad mild åter-förstoftning en nyckelfaktor för filmdensifiering.
Problem som uppstår på grund av överdriven re-sputtering
Problem uppstår när re-sputting blir för intensivt:
Minskad deponeringshastighet
Detta är den mest direkta observationen. Även med oförändrad måleffekt byggs filmtjockleken mycket långsammare, eftersom nyavsatt material kontinuerligt etsas bort.
Skift i legeringssammansättning
Ta TiAlN som ett exempel: aluminium är lättare att om-förstofta än titan. Aluminiumhalten i beläggningen minskar gradvis, vilket leder till att en slutlig sammansättning avviker från designmålet.
Störd kristallstruktur
Alltför hög förspänning utsätter det bildade kristallgittret för ihållande jonbombardemang. Konsekvenser inkluderar drastiskt förhöjd inre stress, ökade defekter, skadade kornstrukturer, spröda beläggningar och till och med filmsprickor.
Praktisk metod för att bestämma den optimala förspänningen i produktionen
Förspänningssvepning är standardmetoden.
Håll måleffekt, substrattemperatur, arbetstryck och gasflöde konstant; justera bara förspänningen. Karakterisera avsättningshastighet, hårdhet, restspänning och beläggningssammansättning för varje tillstånd.
I de flesta testresultat ökar beläggningens hårdhet kontinuerligt till en början. Efter att ha nått en viss punkt sjunker deponeringshastigheten kraftigt. Denna vändpunkt markerar var allvarlig omvänd sputtering initieras.
Den optimala förspänningen är vanligtvis inställd något under denna tröskel. Den ger hög beläggningstäthet samtidigt som man undviker överdriven re-förstoftning.
En vanlig missuppfattning
Många tekniker antar att högre förspänning är lika med en mer avancerad process. Detta är ett missförstånd.
Substratförspänning kan analogiseras med en vägvält: otillräckligt tryck misslyckas med att komprimera beläggningen; måttligt tryck ger en jämn, solid yta; för högt tryck skrapar isär vägytan.
Sammanfattning
Omvänd sputtering är ett inneboende fysiskt fenomen. Alltför hög förspänning gör det möjligt för joner med hög-energi att om-etsa redan avsatta beläggningar.
Måttlig om-sputtering underlättar filmförtätning. Överdriven re-förstoftning orsakar dock långsammare avsättning, sammansättningsdrift, ökad stress och strukturell nedbrytning.
Förspänningen är inte överlägsen vid högre värden. En mogen process uppnår balansen: tillräckligt med jonbombardement för att förtäta filmen, utan att erodera den avsatta beläggningen.
