معلمات الرش العكسي: عند أي جهد انحياز يتم إعادة تناثر الفيلم المودع- بعيدًا؟
هل سيتم قطع الفيلم المودع بالفعل عندما يكون جهد التحيز مرتفعًا؟
الجواب هو نعم.
تُعرف هذه الظاهرة بالرش العكسي (أو إعادة -الرش) في الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD).
بمجرد أن يتجاوز جهد الانحياز الحد الحرج، تصبح الطاقة الأيونية عالية بما يكفي لإزاحة ذرات الغشاء المترسب بالفعل وإخراجها مرة أخرى إلى الطور الغازي. وينخفض معدل الترسيب وفقا لذلك. في الحالات الشديدة، يحدث ترسيب سلبي - يصبح الفيلم أرق مع مرور الوقت.
ما هو الاخرق العكسي؟
أثناء ترسيب PVD، تتم عمليتان في وقت واحد على سطح قطعة العمل:
نمو الفيلم: تنتقل الذرات المتناثرة من الهدف نحو الركيزة وتقوم ببناء الطلاء.
نقش الفيلم: تقصف الأيونات المتسارعة بالتحيز قطعة العمل وتتخلص من الذرات المودعة بالفعل.
ولذلك فإن معدل الإيداع الصافي يتبع هذه العلاقة:
معدل الترسيب الصافي=معدل الترسيب − معدل إعادة-الاخرق
في ظل ظروف التشغيل العادية، يتجاوز معدل الترسيب معدل إعادة التناثر، وبالتالي تزداد سماكة الفيلم. مع ارتفاع جهد الانحياز، تزداد قوة التناثر مرة أخرى-. في نهاية المطاف، يمكن أن يتجاوز معدل الذرات التي تتم إزالتها معدل الترسيب.
دعونا أولا نقدم المفهوم الأساسي: العائد الاخرق.
يشير ناتج التناثر إلى متوسط عدد الذرات التي يتم إطلاقها عندما يصطدم أيون عالي الطاقة-بالمادة. على سبيل المثال، عندما تقصف أيونات الأرجون ذات الجهد 500 فولت الكروم (Cr)، فإن ناتج الرش يتراوح تقريبًا من 0.6 إلى 0.8 ذرة كروم لكل أيون. بشكل عام، تولد الطاقة الأيونية الأعلى عائدًا أعلى للرش. وبالتالي، فإن الجهد الكهربي العالي يؤدي إلى تسريع معدل إزالة المواد من سطح قطعة العمل.
يختلف جهد التحيز الحرج باختلاف المواد:
المعادن النقية (Cr، Ti، إلخ)
50-100 فولت: ترسيب عادي
200–300 فولت: تبدأ عملية إعادة التناثر بشكل ملحوظ
300-500 فولت: معدل الترسيب يقترب من الصفر
أعلى من 500 فولت: قد يحدث نقش شبكي
المعادن النقية هي الأكثر عرضة لإعادة-التناثر.
النتريدات (TiN، CrN، إلخ.)
تتميز النتريدات بوجود روابط كيميائية أقوى، مما يجعل من الصعب إزاحة الذرات. ومن ثم، فإن جهد الانحياز الحرج الخاص بهم من أجل إعادة التناثر الكبير- يكون أعلى.
أقل من 200 فولت: ترسيب طبيعي مستقر
300-500 فولت: انخفاض واضح في معدل الترسيب
500-800 فولت: الاقتراب من العتبة الحرجة لإزالة المواد الصافية
المحتوى القابل للتنزيل (الماس-مثل الكربون)
DLC حالة خاصة. تستخدم العديد من عمليات ta-C (الكربون غير المتبلور رباعي السطوح) انحيازًا نبضيًا عند -800 فولت حتى -1500 فولت. ومع ذلك، بفضل الوضع النبضي ومتوسط طاقة الأيونات المعتدلة، لا يزال من الممكن الحفاظ على الترسيب المستقر. يظهر الاخرق العكسي الشديد فقط عند الطاقات الأيونية الأعلى.
لماذا تعد عملية إعادة التدوير المعتدلة-مفيدة
يعتبر العديد من الوافدين الجدد عن طريق الخطأ أن إعادة النفخ- لها تأثير سلبي، وهذا غير صحيح.
في PVD، يعتمد انحياز الركيزة جزئيًا على إعادة التناثر الخفيف لتحسين جودة الطلاء. الذرات المرتبطة بشكل فضفاض، والجسيمات ضعيفة الالتصاق والبنى المجهرية غير المستقرة يتم التخلص منها بشكل تفضيلي. تبقى فقط الهياكل المستقرة والمترابطة بشكل كثيف. تشبه الآلية رمل الغربلة: تتم إزالة الحبوب السائبة، مما يترك إطارًا مدمجًا.
وبناءً على ذلك، فإن عملية إعادة التناثر الخفيفة التي يتم التحكم فيها- تعد عاملاً رئيسيًا لتكثيف الفيلم.
المشكلات الناشئة عن الإفراط في إعادة-الاخرق
تحدث المشكلات عندما يصبح-إعادة التناثر شديدًا للغاية:
انخفاض معدل الترسيب
هذه هي الملاحظة الأكثر مباشرة. حتى مع عدم تغيير قوة الهدف، فإن سمك الفيلم يتراكم بشكل أبطأ بكثير، حيث يتم حفر المواد المودعة حديثًا بعيدًا بشكل مستمر.
التحول في تكوين السبائك
خذ TiAlN كمثال: الألومنيوم أسهل في إعادة التناثر-من التيتانيوم. يتناقص محتوى الألومنيوم في الطلاء تدريجيًا، مما يؤدي إلى انحراف التركيبة النهائية عن هدف التصميم.
هيكل الكريستال المضطرب
يؤدي التحيز المرتفع بشكل مفرط إلى إخضاع الشبكة البلورية المشكلة للقصف الأيوني المستمر. وتشمل العواقب الإجهاد الجوهري المرتفع بشكل كبير، وزيادة العيوب، وهياكل الحبوب التالفة، والطلاءات الهشة، وحتى تشقق الأفلام.
طريقة عملية لتحديد جهد الانحياز الأمثل في الإنتاج
إن انحياز الجهد الكاسح هو النهج القياسي.
الحفاظ على الطاقة المستهدفة، ودرجة حرارة الركيزة، وضغط العمل وتدفق الغاز ثابتًا؛ ضبط الجهد التحيز فقط. وصف معدل الترسيب والصلابة والإجهاد المتبقي وتركيبة الطلاء لكل حالة.
في معظم نتائج الاختبار، ترتفع صلابة الطلاء بشكل مستمر في البداية. وبعد الوصول إلى نقطة معينة، ينخفض معدل الترسيب بشكل حاد. تشير نقطة التحول هذه إلى المكان الذي يبدأ فيه الخرق العكسي الشديد.
عادةً ما يتم ضبط جهد التحيز الأمثل على مستوى أقل قليلاً من هذه العتبة. فهو يوفر كثافة طلاء عالية مع تجنب إعادة التناثر المفرط.
فكرة خاطئة شائعة
يفترض العديد من الفنيين أن الجهد التحيزي العالي يساوي عملية أكثر تقدمًا. هذا سوء فهم.
يمكن تشبيه انحياز الركيزة بمدحلة الطريق: يفشل الضغط غير الكافي في ضغط الرصيف؛ الضغط المعتدل ينتج سطحًا أملسًا وصلبًا. الضغط المفرط يكشط سطح الطريق.
ملخص
يعتبر الاخرق العكسي ظاهرة فيزيائية متأصلة. يؤدي الانحياز العالي بشكل مفرط إلى تمكين الأيونات عالية الطاقة-من إعادة-حفر الطلاءات المودعة بالفعل.
تعمل عملية إعادة التناثر المعتدلة- على تسهيل عملية تكثيف الفيلم. ومع ذلك، فإن إعادة التناثر المفرطة- تؤدي إلى تباطؤ الترسيب، والانجراف التركيبي، وزيادة الضغط والتدهور الهيكلي.
الجهد المتحيز ليس متفوقًا عند القيم الأعلى. تحقق العملية الناضجة التوازن: قصف أيوني كافٍ لتكثيف الفيلم، دون تآكل الطبقة المترسبة.
