역 스퍼터링 매개변수: 증착된 필름이 어떤 바이어스 전압에서 다시 스퍼터링되나요?-
바이어스 전압이 높으면 이미 증착된 필름이 떨어져 나가나요?
대답은 '예'입니다.
이 현상을 PVD에서는 역스퍼터링(또는 재-스퍼터링)이라고 합니다.
바이어스 전압이 임계 임계값을 초과하면 이온 에너지는 이미 증착된 필름 원자를 제거하고 다시 기체 상태로 방출할 만큼 충분히 높아집니다. 그에 따라 증착률도 떨어집니다. 심한 경우에는 네거티브 증착이 발생합니다. - 시간이 지남에 따라 필름이 얇아집니다.
역스퍼터링이란 무엇입니까?
PVD 증착 중에 공작물 표면에서 두 가지 프로세스가 동시에 발생합니다.
필름 성장: 타겟에서 스퍼터링된 원자가 기판을 향해 이동하여 코팅을 형성합니다.
필름 에칭: 바이어스에 의해 가속된 이온이 가공물에 충격을 가하고 이미 증착된 원자를 떨어뜨립니다.
따라서 순 증착률은 다음 관계를 따릅니다.
순 증착률=증착률 − 재-스퍼터링률
정상적인 작동 조건에서는 증착 속도가 재{0}}스퍼터링 속도를 초과하므로 필름 두께가 증가합니다. 바이어스 전압이 상승하면 리-스퍼터링이 강화됩니다. 결국 제거되는 원자의 속도는 증착 속도를 능가할 수 있습니다.
먼저 기본 개념인 스퍼터링 수율을 소개하겠습니다.
스퍼터링 수율은 하나의 고에너지 이온이-재료에 충돌할 때 방출되는 평균 원자 수를 나타냅니다. 예를 들어, 500eV 아르곤 이온이 크롬(Cr)에 충격을 가할 때 스퍼터링 수율은 이온당 대략 0.6~0.8 Cr 원자 범위입니다. 일반적으로 이온 에너지가 높을수록 스퍼터링 수율이 높아집니다. 결과적으로 바이어스 전압이 높을수록 공작물 표면에서 재료 제거 속도가 빨라집니다.
임계 바이어스 전압은 다양한 재료에 따라 다릅니다.
순금속(Cr, Ti 등)
50~100V: 일반 증착
200–300 V: 눈에 띄는 재-스퍼터링이 시작됩니다.
300~500V: 증착 속도가 0에 가까워짐
500V 이상: 네트 에칭이 발생할 수 있음
순수 금속은 재-스퍼터링에 가장 취약합니다.
질화물(TiN, CrN 등)
질화물은 더 강한 화학적 결합을 특징으로 하여 원자가 이탈하기 어렵게 만듭니다. 따라서 상당한 재-스퍼터링을 위한 임계 바이어스 전압이 더 높습니다.
200V 이하: 안정된 정상 증착
300–500 V: 증착 속도의 명백한 감소
500–800 V: 순 물질 제거를 위한 임계 임계값에 접근
DLC(다이아몬드-Like Carbon)
DLC는 특별한 경우입니다. 많은 ta-C(사면체 비정질 탄소) 공정은 -800V ~ -1500V에서 펄스 바이어스를 사용합니다. 그러나 펄스 모드와 적당한 평균 이온 에너지 덕분에 안정적인 증착이 계속 유지될 수 있습니다. 심각한 역 스퍼터링은 더 높은 이온 에너지에서만 나타납니다.
적당한 재{0}}스퍼터링이 유익한 이유
많은 신규 사용자가 재-스퍼터링을 부작용으로 잘못 인식하고 있는데 이는 잘못된 것입니다.
PVD에서 기판 바이어스는 코팅 품질을 향상시키기 위해 약한 재{0}}스퍼터링에 부분적으로 의존합니다. 느슨하게 결합된 원자, 약하게 부착된 입자 및 불안정한 미세 구조는 우선적으로 스퍼터링됩니다. 촘촘하게 결합되어 안정적인 구조만 남습니다. 메커니즘은 모래를 체질하는 것과 유사합니다. 느슨한 입자가 제거되고 컴팩트한 프레임워크가 남습니다.
따라서 제어된 약한 재-스퍼터링은 필름 치밀화의 핵심 요소입니다.
과도한 재-스퍼터링으로 인해 발생하는 문제
재-스퍼터링이 너무 심해지면 문제가 발생합니다.
증착 속도 감소
이것이 가장 직접적인 관찰이다. 목표 전력이 변하지 않더라도 새로 증착된 재료가 지속적으로 에칭되어 제거되므로 필름 두께가 훨씬 느리게 형성됩니다.
합금 조성의 변화
TiAlN을 예로 들어 보겠습니다. 알루미늄은 티타늄보다 재{0}}스퍼터링이 더 쉽습니다. 코팅 내 알루미늄 함량이 점차 감소하여 최종 조성이 설계 목표에서 벗어나게 됩니다.
교란된 결정 구조
지나치게 높은 바이어스는 형성된 결정 격자를 지속적으로 이온 충격에 노출시킵니다. 결과적으로 본질적인 응력의 급격한 증가, 결함 증가, 입자 구조 손상, 부서지기 쉬운 코팅, 심지어 필름 균열까지 포함됩니다.
생산 시 최적의 바이어스 전압을 결정하는 실제 방법
바이어스 전압 스위핑이 표준 접근 방식입니다.
목표 전력, 기판 온도, 작동 압력 및 가스 흐름을 일정하게 유지하십시오. 바이어스 전압만 조정하십시오. 각 조건에 대한 증착 속도, 경도, 잔류 응력 및 코팅 구성을 특성화합니다.
대부분의 테스트 결과에서 처음에는 코팅 경도가 지속적으로 상승합니다. 특정 지점에 도달하면 증착 속도가 급격히 떨어집니다. 이 전환점은 심각한 역 스퍼터링이 시작되는 지점을 표시합니다.
최적의 바이어스 전압은 일반적으로 이 임계값보다 약간 낮게 설정됩니다. 과도한 재-스퍼터링을 방지하면서 높은 코팅 밀도를 제공합니다.
일반적인 오해
많은 기술자들은 더 높은 바이어스 전압이 더 진보된 프로세스와 동일하다고 가정합니다. 이것은 오해입니다.
기판 편향은 도로 롤러에 비유될 수 있습니다. 압력이 충분하지 않아 포장 도로를 압축할 수 없습니다. 적당한 압력은 매끄럽고 견고한 표면을 생성합니다. 과도한 압력은 도로 표면을 긁어냅니다.
요약
역 스퍼터링은 고유한 물리적 현상입니다. 바이어스가 지나치게 높으면 고에너지 이온이-이미 증착된 코팅을 다시 에칭할 수 있습니다.-
적당한 리{0}}리스퍼터링은 필름 치밀화를 촉진합니다. 그러나 과도한 재-스퍼터링은 증착 속도 저하, 조성 드리프트, 응력 증가 및 구조적 저하를 유발합니다.
바이어스 전압은 더 높은 값에서는 우수하지 않습니다. 성숙한 프로세스는 균형을 유지합니다. 즉, 증착된 코팅을 부식시키지 않고 필름의 밀도를 높이는 데 충분한 이온 충격이 필요합니다.
