Parámetros de pulverización inversa: ¿a qué voltaje de polarización se vuelve a pulverizar la película depositada?
¿Se desprenderá la película ya depositada cuando el voltaje de polarización sea alto?
La respuesta es sí.
Este fenómeno se conoce como sputtering inverso (o re-sputtering) en PVD.
Una vez que el voltaje de polarización excede un umbral crítico, la energía de los iones se vuelve lo suficientemente alta como para desalojar los átomos de la película ya depositados y expulsarlos nuevamente a la fase gaseosa. En consecuencia, la tasa de deposición disminuye. En casos graves, se produce una deposición negativa - la película se vuelve más delgada con el tiempo.
¿Qué es la pulverización catódica inversa?
Durante la deposición de PVD tienen lugar simultáneamente dos procesos en la superficie de la pieza de trabajo:
Crecimiento de la película: los átomos chisporroteados desde el objetivo viajan hacia el sustrato y forman el recubrimiento.
Grabado en película: los iones acelerados por polarización bombardean la pieza de trabajo y eliminan los átomos ya depositados.
Por lo tanto, la tasa neta de deposición sigue esta relación:
Tasa neta de deposición=Tasa de deposición - Tasa de re-sputtering
En condiciones normales de funcionamiento, la tasa de deposición excede la tasa de re-pulverización, por lo que el espesor de la película aumenta. A medida que aumenta el voltaje de polarización, se intensifica la re-farfulla. Con el tiempo, la tasa de átomos que se eliminan puede superar la tasa de deposición.
Primero introduzcamos el concepto fundamental: rendimiento por pulverización catódica.
El rendimiento de la pulverización catódica se refiere al número promedio de átomos expulsados cuando un ion de alta-energía golpea un material. Por ejemplo, cuando iones de argón de 500 eV bombardean cromo (Cr), el rendimiento de la pulverización oscila aproximadamente entre 0,6 y 0,8 átomos de Cr por ion. Generalmente, una mayor energía iónica genera un mayor rendimiento de pulverización catódica. En consecuencia, un voltaje de polarización más alto acelera la tasa de eliminación de material de la superficie de la pieza de trabajo.
El voltaje de polarización crítico difiere para varios materiales:
Metales puros (Cr, Ti, etc.)
50–100 V: deposición normal
200–300 V: comienza una re-chisporroteo notable
300–500 V: la tasa de deposición se acerca a cero
Por encima de 500 V: puede producirse grabado neto
Los metales puros son los más susceptibles a la re-chisporroteo.
Nitruros (TiN, CrN, etc.)
Los nitruros presentan enlaces químicos más fuertes, lo que hace que los átomos sean más difíciles de desalojar. Por lo tanto, su voltaje de polarización crítico para una re-resputación significativa es mayor.
Por debajo de 200 V: deposición normal estable
300–500 V: reducción evidente en la tasa de deposición
500–800 V: acercándose al umbral crítico para la eliminación neta de material
Contenido descargable (diamante-como carbono)
El DLC es un caso especial. Muchos procesos de ta-C (carbono amorfo tetraédrico) emplean polarización pulsada de -800 V hasta -1500 V. Sin embargo, gracias al modo pulsado y la energía iónica promedio moderada, aún se puede mantener una deposición estable. La farfulla inversa severa sólo surge con energías iónicas aún mayores.
Por qué la re-sputtering moderada es beneficiosa
Muchos recién llegados consideran erróneamente que la re-chisporroteo es un efecto adverso, lo cual es incorrecto.
En PVD, la tendencia del sustrato depende parcialmente de una suave re-pulverización para mejorar la calidad del recubrimiento. Los átomos débilmente unidos, las partículas débilmente adheridas y las microestructuras inestables se eliminan preferentemente mediante pulverización catódica. Sólo quedan estructuras estables y densamente unidas. El mecanismo se asemeja al tamizado de arena: se eliminan los granos sueltos, dejando una estructura compacta.
En consecuencia, la re-resputtering suave y controlada es un factor clave para la densificación de la película.
Problemas que surgen del exceso de re-chisporroteo
Los problemas ocurren cuando el res-chisporroteo se vuelve demasiado intenso:
Tasa de deposición reducida
Esta es la observación más directa. Incluso con la potencia objetivo sin cambios, el espesor de la película aumenta mucho más lentamente, ya que el material recién depositado se elimina continuamente.
Cambio en la composición de la aleación
Tomemos como ejemplo el TiAlN: el aluminio es más fácil de volver a chisporrotear que el titanio. El contenido de aluminio en el revestimiento disminuye gradualmente, lo que lleva a una composición final que se desvía del objetivo de diseño.
Estructura cristalina perturbada
Un sesgo excesivamente alto somete la red cristalina formada a un bombardeo iónico persistente. Las consecuencias incluyen estrés intrínseco drásticamente elevado, aumento de defectos, estructuras de grano dañadas, recubrimientos quebradizos e incluso agrietamiento de la película.
Método práctico para determinar el voltaje de polarización óptimo en producción
El barrido de voltaje de polarización es el método estándar.
Mantenga constantes la potencia objetivo, la temperatura del sustrato, la presión de trabajo y el flujo de gas; solo ajuste el voltaje de polarización. Caracterice la tasa de deposición, la dureza, la tensión residual y la composición del recubrimiento para cada condición.
En la mayoría de los resultados de las pruebas, la dureza del recubrimiento aumenta continuamente al principio. Después de alcanzar cierto punto, la tasa de deposición cae drásticamente. Este punto de inflexión marca donde se inicia la farfulla inversa severa.
El voltaje de polarización óptimo normalmente se establece ligeramente por debajo de este umbral. Ofrece una alta densidad de recubrimiento y al mismo tiempo evita una excesiva re-espuma.
Un error común
Muchos técnicos suponen que un voltaje de polarización más alto equivale a un proceso más avanzado. Esto es un malentendido.
La tendencia del sustrato se puede comparar con una apisonadora: una presión insuficiente no logra compactar el pavimento; una presión moderada produce una superficie lisa y sólida; una presión excesiva raspa la superficie de la carretera.
Resumen
La farfulla inversa es un fenómeno físico inherente. Un sesgo excesivamente alto permite que los iones-de alta energía vuelvan a-grabar los recubrimientos ya depositados.
La re-sputtering moderada facilita la densificación de la película. Sin embargo, una re-pulverización excesiva provoca una deposición más lenta, una desviación de la composición, un aumento de la tensión y una degradación estructural.
El voltaje de polarización no es superior a valores más altos. Un proceso maduro logra el equilibrio: suficiente bombardeo de iones para densificar la película, sin erosionar el recubrimiento depositado.
