Reverse sputtering-parametere: Ved hvilken bias-spenning blir den avsatte filmen re-sprutet vekk?
Vil den allerede avsatte filmen bli slått av når forspenningen er høy?
Svaret er ja.
Dette fenomenet er kjent som omvendt sputtering (eller re-sputtering) i PVD.
Når forspenningen overstiger en kritisk terskel, blir ioneenergien tilstrekkelig høy til å løsne filmatomer som allerede er avsatt og kaste dem tilbake i gassfasen. Deponeringsraten synker tilsvarende. I alvorlige tilfeller oppstår negativ avsetning - filmen blir tynnere over tid.
Hva er omvendt sputtering?
Under PVD-avsetning finner to prosesser sted samtidig på arbeidsstykkets overflate:
Filmvekst: Atomer som sputteres fra målet beveger seg mot underlaget og bygger opp belegget.
Filmetsing: Ioner akselerert av skjevhet bombarderer arbeidsstykket og slår av allerede avsatte atomer.
Derfor følger netto avsetningshastighet dette forholdet:
Netto avsetningshastighet=avsetningshastighet − Re-sputteringshastighet
Under normale driftsforhold overstiger avsetningshastigheten re-forstøvningshastigheten, så filmtykkelsen øker. Etter hvert som forspenningen øker, intensiveres re-sputtering. Til slutt kan hastigheten på atomer som fjernes overgå avsetningshastigheten.
La oss først introdusere det grunnleggende konseptet: sputtering yield.
Sputteringsutbytte refererer til gjennomsnittlig antall atomer som kastes ut når ett-høyenergiion treffer et materiale. For eksempel, når 500 eV argonioner bombarderer krom (Cr), varierer sputteringsutbyttet omtrent fra 0,6 til 0,8 Cr-atomer per ion. Generelt genererer høyere ioneenergi et høyere sputteringsutbytte. Følgelig akselererer høyere forspenning fjerningshastigheten av materiale fra arbeidsstykkets overflate.
Den kritiske forspenningen er forskjellig for forskjellige materialer:
Rene metaller (Cr, Ti, etc.)
50–100 V: Normal avsetning
200–300 V: Merkbar re-sputtering begynner
300–500 V: Avsetningshastigheten nærmer seg null
Over 500 V: Netting kan forekomme
Rene metaller er mest utsatt for re-forstøvning.
Nitrider (TiN, CrN, etc.)
Nitrider har sterkere kjemisk binding, noe som gjør atomer vanskeligere å løsne. Derfor er deres kritiske skjevspenning for betydelig re-forstøvning høyere.
Under 200 V: Stabil normalavsetning
300–500 V: Åpenbar reduksjon i avsetningshastighet
500–800 V: Nærmer seg den kritiske terskelen for nettomaterialfjerning
DLC (Diamond-Like Carbon)
DLC er et spesielt tilfelle. Mange ta-C-prosesser (tetraedrisk amorft karbon) bruker pulset forspenning ved -800 V opp til -1500 V. Men takket være pulsmodus og moderat gjennomsnittlig ioneenergi kan stabil avsetning fortsatt opprettholdes. Alvorlig omvendt sputtering oppstår bare ved enda høyere ioneenergier.
Hvorfor moderat re-sputtering er fordelaktig
Mange nykommere ser feilaktig på re-spruting som en negativ effekt, noe som er feil.
I PVD er underlagsskjevhet delvis avhengig av mild om-sputtering for å forbedre beleggkvaliteten. Løst bundne atomer, svakt vedheftede partikler og ustabile mikrostrukturer sputteres fortrinnsvis bort. Bare tett sammenknyttede, stabile strukturer gjenstår. Mekanismen ligner siktesand: løse korn fjernes, og etterlater et kompakt rammeverk.
Derfor er kontrollert mild re-sputtering en nøkkelfaktor for filmfortetting.
Problemer som oppstår fra overdreven re-spruting
Problemer oppstår når re-sputteringen blir for intens:
Redusert avsetningshastighet
Dette er den mest direkte observasjonen. Selv med uendret målstyrke, bygges filmtykkelsen mye langsommere, ettersom nyavsatt materiale kontinuerlig etses bort.
Skift i legeringssammensetning
Ta TiAlN som et eksempel: aluminium er lettere å om-forstøve enn titan. Aluminiuminnholdet i belegget avtar gradvis, noe som fører til at en endelig sammensetning avviker fra designmålet.
Forstyrret krystallstruktur
For høy skjevhet utsetter det dannede krystallgitteret for vedvarende ionebombardement. Konsekvensene inkluderer drastisk forhøyet indre stress, økte defekter, skadede kornstrukturer, sprø belegg og til og med filmsprekker.
Praktisk metode for å bestemme den optimale skjevspenningen i produksjonen
Forspenningssveiping er standardtilnærmingen.
Hold måleffekt, substrattemperatur, arbeidstrykk og gassstrøm konstant; juster kun forspenning. Karakteriser avsetningshastighet, hardhet, restspenning og beleggsammensetning for hver tilstand.
I de fleste testresultater øker beleggets hardhet til å begynne med kontinuerlig. Etter å ha nådd et visst punkt, synker avsetningshastigheten kraftig. Dette vendepunktet markerer hvor alvorlig omvendt sputtering starter.
Den optimale forspenningen er vanligvis satt litt under denne terskelen. Den gir høy beleggstetthet samtidig som den unngår overdreven re-sputtering.
En vanlig misforståelse
Mange teknikere antar at høyere forspenning tilsvarer en mer avansert prosess. Dette er en misforståelse.
Substratskjevhet kan analogiseres til en veivals: utilstrekkelig trykk klarer ikke å komprimere fortauet; moderat trykk gir en jevn, solid overflate; for høyt trykk skraper veibanen fra hverandre.
Sammendrag
Omvendt sputtering er et iboende fysisk fenomen. For høy forspenning gjør det mulig for ioner med høy-energi å re-etse allerede avsatt belegg.
Moderat re-sputtering letter filmfortetting. Imidlertid forårsaker overdreven re-sputtering langsommere avsetning, komposisjonsdrift, økt stress og strukturell nedbrytning.
Forspenning er ikke overlegen ved høyere verdier. En moden prosess finner balansen: tilstrekkelig ionebombardement til å fortette filmen, uten å erodere det avsatte belegget.
