Các thông số phún xạ ngược: Ở điện áp phân cực nào thì phim đã ký gửi sẽ-bị bắn tung tóe?
Liệu màng đã được lắng đọng có bị bong ra khi điện áp phân cực cao không?
Câu trả lời là có.
Hiện tượng này được gọi là phún xạ ngược (hoặc phún xạ lại) trong PVD.
Khi điện áp phân cực vượt quá ngưỡng tới hạn, năng lượng ion sẽ trở nên đủ cao để đánh bật các nguyên tử màng đã lắng đọng và đẩy chúng trở lại pha khí. Tỷ lệ lắng đọng giảm theo. Trong trường hợp nghiêm trọng, sự lắng đọng âm xảy ra - màng mỏng dần theo thời gian.
Phún xạ ngược là gì?
Trong quá trình lắng đọng PVD, hai quá trình đồng thời diễn ra trên bề mặt phôi:
Sự phát triển của màng: Các nguyên tử phun ra từ mục tiêu di chuyển về phía chất nền và hình thành lớp phủ.
Khắc màng: Các ion được tăng tốc nhờ phân cực bắn phá phôi và đánh bật các nguyên tử đã lắng đọng.
Do đó, tỷ lệ ký gửi ròng tuân theo mối quan hệ này:
Tỷ lệ lắng đọng ròng=Tỷ lệ lắng đọng − Tỷ lệ phún xạ lại{1}}
Trong điều kiện hoạt động bình thường, tốc độ lắng đọng vượt quá-tốc độ phún xạ lại, do đó độ dày màng tăng lên. Khi điện áp phân cực tăng lên, hiện tượng phún xạ lại sẽ tăng cường. Cuối cùng, tốc độ nguyên tử bị loại bỏ có thể vượt quá tốc độ lắng đọng.
Đầu tiên chúng ta hãy giới thiệu khái niệm cơ bản: năng suất phún xạ.
Hiệu suất phún xạ đề cập đến số lượng nguyên tử trung bình được giải phóng khi một ion năng lượng cao{0}}tấn công vật liệu. Ví dụ, khi các ion argon 500 eV bắn phá crom (Cr), hiệu suất phún xạ dao động trong khoảng từ 0,6 đến 0,8 nguyên tử Cr trên mỗi ion. Nói chung, năng lượng ion cao hơn tạo ra năng suất phún xạ cao hơn. Do đó, điện áp phân cực cao hơn sẽ đẩy nhanh tốc độ loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt phôi.
Điện áp phân cực tới hạn khác nhau đối với các vật liệu khác nhau:
Kim loại nguyên chất (Cr, Ti, v.v.)
50–100 V: Lắng đọng bình thường
200–300 V: Bắt đầu- phún xạ lại đáng chú ý
300–500 V: Tốc độ lắng đọng gần bằng 0
Trên 500 V: Có thể xảy ra hiện tượng ăn mòn lưới
Kim loại nguyên chất dễ bị-tái phún xạ nhất.
Nitrua (TiN, CrN, v.v.)
Nitride có liên kết hóa học mạnh hơn, khiến các nguyên tử khó bị đánh bật hơn. Do đó, điện áp phân cực tới hạn để tái phún xạ đáng kể sẽ cao hơn.
Dưới 200 V: Lắng đọng bình thường ổn định
300–500 V: Tốc độ lắng đọng giảm rõ rệt
500–800 V: Tiếp cận ngưỡng tới hạn để loại bỏ vật chất ròng
DLC (Kim cương-Giống như Carbon)
DLC là một trường hợp đặc biệt. Nhiều quy trình ta{1}}C (cacbon vô định hình tứ diện) sử dụng độ lệch xung ở -800 V đến -1500 V. Tuy nhiên, nhờ chế độ xung và năng lượng ion trung bình vừa phải, sự lắng đọng ổn định vẫn có thể được duy trì. Sự phún xạ ngược nghiêm trọng chỉ xuất hiện ở mức năng lượng ion cao hơn.
Tại sao việc phún xạ-ở mức vừa phải lại có lợi
Nhiều người mới nhầm lẫn coi việc -bật lại là một tác động bất lợi, điều này không chính xác.
Trong PVD, độ lệch của chất nền phụ thuộc một phần vào quá trình phún xạ lại{0}} nhẹ để cải thiện chất lượng lớp phủ. Các nguyên tử liên kết lỏng lẻo, các hạt bám dính yếu và các cấu trúc vi mô không ổn định được ưu tiên loại bỏ. Chỉ còn lại những cấu trúc ổn định, liên kết chặt chẽ. Cơ chế này giống như sàng cát: các hạt rời được loại bỏ, để lại một khung nhỏ gọn.
Theo đó, quá trình phún xạ lại nhẹ nhàng có kiểm soát-là yếu tố then chốt để làm đậm đặc màng.
Các vấn đề phát sinh do -tán xạ lại quá mức
Sự cố xảy ra khi quá trình phún xạ lại trở nên quá mạnh:
Giảm tốc độ lắng đọng
Đây là quan sát trực tiếp nhất. Ngay cả với công suất mục tiêu không thay đổi, độ dày màng hình thành chậm hơn nhiều vì vật liệu mới lắng đọng liên tục bị ăn mòn.
Sự thay đổi thành phần hợp kim
Lấy TiAlN làm ví dụ: nhôm dễ -tái tạo hơn so với titan. Hàm lượng nhôm trong lớp phủ giảm dần, dẫn đến thành phần cuối cùng sai lệch so với mục tiêu thiết kế.
Cấu trúc tinh thể bị xáo trộn
Độ lệch quá cao khiến mạng tinh thể hình thành bị bắn phá ion liên tục. Hậu quả bao gồm ứng suất nội tại tăng cao đáng kể, khuyết tật gia tăng, cấu trúc hạt bị hư hỏng, lớp phủ giòn và thậm chí là nứt màng.
Phương pháp thực tế để xác định điện áp phân cực tối ưu trong sản xuất
Quét điện áp phân cực là phương pháp tiêu chuẩn.
Giữ công suất mục tiêu, nhiệt độ bề mặt, áp suất làm việc và lưu lượng khí không đổi; chỉ điều chỉnh điện áp phân cực. Đặc trưng tốc độ lắng đọng, độ cứng, ứng suất dư và thành phần lớp phủ cho từng điều kiện.
Trong hầu hết các kết quả thử nghiệm, độ cứng lớp phủ ban đầu tăng liên tục. Sau khi đạt đến một điểm nhất định, tốc độ lắng đọng giảm mạnh. Bước ngoặt này đánh dấu nơi bắt đầu phún xạ ngược nghiêm trọng.
Điện áp phân cực tối ưu thường được đặt dưới ngưỡng này một chút. Nó mang lại mật độ lớp phủ cao đồng thời tránh hiện tượng phún xạ lại quá mức.
Một quan niệm sai lầm phổ biến
Nhiều kỹ thuật viên cho rằng điện áp phân cực cao hơn tương đương với quy trình tiên tiến hơn. Đây là một sự hiểu lầm.
Độ lệch của nền có thể được so sánh với máy lu: áp lực không đủ sẽ không thể nén được mặt đường; áp suất vừa phải tạo ra bề mặt nhẵn, rắn chắc; áp lực quá mức làm trầy xước mặt đường.
Bản tóm tắt
Phún xạ ngược là một hiện tượng vật lý vốn có. Độ lệch quá cao cho phép các ion-năng lượng cao khắc phục-các lớp phủ đã lắng đọng.
Quá trình phún xạ lại vừa phải-tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cô đặc màng. Tuy nhiên, quá trình phún xạ lại quá mức sẽ khiến quá trình lắng đọng chậm hơn, trôi dạt thành phần, tăng ứng suất và suy thoái cấu trúc.
Điện áp phân cực không vượt trội ở giá trị cao hơn. Một quy trình hoàn thiện đạt được sự cân bằng: bắn phá ion đủ để làm đặc màng mà không làm xói mòn lớp phủ lắng đọng.
