Parâmetros de pulverização catódica reversa: em que tensão de polarização o filme depositado é re-removido?
O filme já depositado será eliminado quando a tensão de polarização for alta?
A resposta é sim.
Esse fenômeno é conhecido como sputtering reverso (ou re-sputtering) em PVD.
Uma vez que a tensão de polarização excede um limite crítico, a energia iônica torna-se suficientemente alta para desalojar os átomos do filme já depositados e ejetá-los de volta à fase gasosa. A taxa de deposição cai correspondentemente. Em casos graves, ocorre deposição negativa - o filme fica mais fino com o tempo.
O que é pulverização catódica reversa?
Durante a deposição de PVD, dois processos ocorrem simultaneamente na superfície da peça:
Crescimento do filme: Os átomos expelidos do alvo viajam em direção ao substrato e formam o revestimento.
Gravação de filme: íons acelerados por polarização bombardeiam a peça de trabalho e eliminam átomos já depositados.
Portanto, a taxa líquida de deposição segue esta relação:
Taxa líquida de deposição=Taxa de deposição − Taxa de re-sputtering
Sob condições normais de operação, a taxa de deposição excede a taxa de re-sputtering, portanto a espessura do filme aumenta. À medida que a tensão de polarização aumenta, a re-sputtering se intensifica. Eventualmente, a taxa de átomos removidos pode ultrapassar a taxa de deposição.
Vamos primeiro apresentar o conceito fundamental: rendimento de pulverização catódica.
O rendimento de pulverização catódica refere-se ao número médio de átomos ejetados quando um íon de alta{0}energia atinge um material. Por exemplo, quando íons de argônio de 500 eV bombardeiam cromo (Cr), o rendimento de pulverização catódica varia aproximadamente de 0,6 a 0,8 átomos de Cr por íon. Geralmente, uma maior energia iônica gera um maior rendimento de pulverização catódica. Consequentemente, uma tensão de polarização mais elevada acelera a taxa de remoção de material da superfície da peça.
A tensão de polarização crítica difere para vários materiais:
Metais puros (Cr, Ti, etc.)
50–100 V: Deposição normal
200–300 V: começa a re-sputtering perceptível
300–500 V: Taxa de deposição se aproxima de zero
Acima de 500 V: Pode ocorrer corrosão líquida
Metais puros são mais suscetíveis a re-sputtering.
Nitretos (TiN, CrN, etc.)
Os nitretos apresentam ligações químicas mais fortes, tornando os átomos mais difíceis de desalojar. Assim, sua tensão de polarização crítica para re-resputtering significativo é mais alta.
Abaixo de 200 V: Deposição normal estável
300–500 V: Redução óbvia na taxa de deposição
500–800 V: Aproximando-se do limite crítico para remoção líquida de material
DLC (Diamante-como Carbono)
DLC é um caso especial. Muitos processos ta-C (carbono amorfo tetraédrico) empregam polarização pulsada de -800 V a -1500 V. No entanto, graças ao modo pulsado e à energia iônica média moderada, a deposição estável ainda pode ser mantida. A pulverização catódica reversa severa só surge em energias iônicas ainda mais altas.
Por que a re-sputtering moderada é benéfica
Muitos recém-chegados consideram erroneamente a re-resputtering como um efeito adverso, o que é incorreto.
No PVD, a polarização do substrato depende parcialmente de uma re-resputtering suave para melhorar a qualidade do revestimento. Átomos fracamente ligados, partículas fracamente aderidas e microestruturas instáveis são preferencialmente eliminados. Restam apenas estruturas estáveis e densamente ligadas. O mecanismo lembra a peneiração de areia: os grãos soltos são removidos, deixando uma estrutura compacta.
Conseqüentemente, a re-resputtering moderada e controlada é um fator chave para a densificação do filme.
Problemas decorrentes de re-sputtering excessivo
Os problemas ocorrem quando a re-sputtering se torna muito intensa:
Taxa de deposição reduzida
Esta é a observação mais direta. Mesmo com a potência alvo inalterada, a espessura do filme aumenta muito mais lentamente, à medida que o material recém-depositado é continuamente gravado.
Mudança na composição da liga
Tomemos como exemplo o TiAlN: o alumínio é mais fácil de re-sputter do que o titânio. O teor de alumínio no revestimento diminui gradualmente, levando a uma composição final que se desvia do alvo do projeto.
Estrutura cristalina perturbada
A polarização excessivamente alta submete a rede cristalina formada ao bombardeio iônico persistente. As consequências incluem tensão intrínseca drasticamente elevada, aumento de defeitos, estruturas de grãos danificadas, revestimentos quebradiços e até mesmo rachaduras no filme.
Método prático para determinar a tensão de polarização ideal na produção
A varredura da tensão de polarização é a abordagem padrão.
Mantenha a potência alvo, a temperatura do substrato, a pressão de trabalho e o fluxo de gás constantes; ajuste apenas a tensão de polarização. Caracterizar taxa de deposição, dureza, tensão residual e composição do revestimento para cada condição.
Na maioria dos resultados de testes, a dureza do revestimento aumenta continuamente no início. Depois de atingir um certo ponto, a taxa de deposição cai drasticamente. Este ponto de inflexão marca onde se inicia a pulverização catódica severa.
A tensão de polarização ideal é normalmente definida ligeiramente abaixo deste limite. Ele oferece alta densidade de revestimento, evitando re-sputtering excessivo.
Um equívoco comum
Muitos técnicos assumem que uma tensão de polarização mais alta equivale a um processo mais avançado. Isto é um mal-entendido.
A inclinação do substrato pode ser comparada a um rolo-compactador: a pressão insuficiente não consegue compactar o pavimento; a pressão moderada produz uma superfície lisa e sólida; a pressão excessiva rasga a superfície da estrada.
Resumo
A pulverização catódica reversa é um fenômeno físico inerente. A polarização excessivamente alta permite que íons de alta{1}}energia recaptem-revestimentos já depositados.
A re-sputtering moderada facilita a densificação do filme. No entanto, a re-sputtering excessiva causa deposição mais lenta, desvio de composição, aumento de tensão e degradação estrutural.
A tensão de polarização não é superior em valores mais altos. Um processo maduro atinge o equilíbrio: bombardeio iônico suficiente para densificar o filme, sem erodir o revestimento depositado.
