逆スパッタリング パラメータ: 堆積された膜はどのようなバイアス電圧で再スパッタリングされますか?{0}}
バイアス電圧が高いと、すでに堆積した膜が剥がれてしまうことはありますか?
答えは「はい」です。
この現象は、PVD における逆スパッタリング（または再スパッタリング）として知られています。{0}
バイアス電圧が臨界閾値を超えると、イオンエネルギーが十分に高くなり、すでに堆積された膜原子を移動させて気相に戻します。それに応じて成膜速度も低下します。ひどい場合には、負の堆積が発生します - 膜は時間の経過とともに薄くなります。
逆スパッタリングとは何ですか?
PVD 蒸着中、ワークピース表面では 2 つのプロセスが同時に行われます。
膜の成長: ターゲットからスパッタされた原子が基板に向かって移動し、コーティングを形成します。
フィルムエッチング: バイアスによって加速されたイオンがワークピースに衝突し、すでに堆積した原子をはぎ取ります。
したがって、正味の堆積率は次の関係に従います。
正味堆積率=堆積率 − 再スパッタリング率 -
通常の動作条件下では、堆積速度が再スパッタリング速度を超えるため、膜厚は増加します。-バイアス電圧が上昇すると、再スパッタリングが激化します。-最終的には、原子の除去速度が堆積速度を超える可能性があります。
まず、スパッタリング収量という基本的な概念を紹介します。
スパッタリング収量とは、1 つの高エネルギー イオンが材料に衝突したときに放出される原子の平均数を指します。{0}}たとえば、500 eV のアルゴン イオンがクロム (Cr) に衝突する場合、スパッタリング収量はイオンあたりおよそ 0.6 ～ 0.8 Cr 原子の範囲になります。一般に、イオンエネルギーが高くなると、スパッタリング収量も高くなります。その結果、バイアス電圧が高くなると、ワークピース表面からの材料の除去速度が加速されます。
臨界バイアス電圧は材料によって異なります。
純金属（Cr、Tiなど）
50 ～ 100 V: 通常の堆積
200～300 V: 顕著な再スパッタリングが始まります-
300 ～ 500 V: 堆積速度がゼロに近づく
500V以上：ネットエッチングが発生する可能性があります
純粋な金属は再スパッタリングの影響を最も受けやすくなります。{0}
窒化物（TiN、CrNなど）
窒化物はより強力な化学結合を特徴としており、原子が外れにくくなります。したがって、重大な再スパッタリングに対する臨界バイアス電圧はより高くなります。-。
200V以下：安定した正常成膜
300 ～ 500 V: 堆積速度の明らかな低下
500 ～ 800 V: 正味の材料除去の臨界閾値に近づいています
DLC (ダイヤモンド-ライクカーボン)
DLCは特殊なケースです。多くの ta-C (四面体アモルファス カーボン) プロセスでは、-800 V ～ -1500 V のパルス バイアスが使用されます。ただし、パルス モードと適度な平均イオン エネルギーのおかげで、安定した堆積を維持できます。激しい逆スパッタリングは、さらに高いイオンエネルギーでのみ発生します。
適度な再スパッタリングが有益な理由
多くの初心者は、リスパッタリングが悪影響であると誤って考えていますが、それは間違いです。{0}
PVD では、基板バイアスは部分的に穏やかな再スパッタリングに依存してコーティングの品質を向上させます。{0}}緩く結合した原子、弱く付着した粒子、不安定な微細構造が優先的にスパッタリングされて除去されます。密に結合した安定した構造のみが残ります。このメカニズムは砂をふるいにかけるのと似ており、ばらばらの粒子が取り除かれ、コンパクトな枠組みが残ります。
したがって、制御されたマイルドな再スパッタリングが膜の緻密化にとって重要な要素となります。{0}
過剰な再スパッタリングから生じる問題-
リスパッタリングが激しくなりすぎると、問題が発生します。{0}
堆積速度の低下
これは最も直接的な観察です。ターゲットパワーが変わらない場合でも、新たに堆積された材料が継続的にエッチングされるため、膜厚の増加ははるかに遅くなります。
合金組成の変化
TiAlN を例に挙げると、アルミニウムはチタンよりも再スパッタしやすいです。-コーティング中のアルミニウム含有量は徐々に減少し、最終的な組成が設計目標から外れてしまいます。
結晶構造の乱れ
過度に高いバイアスは、形成された結晶格子を永続的なイオン衝撃にさらします。その結果、固有応力の大幅な上昇、欠陥の増加、粒子構造の損傷、コーティングの脆化、さらにはフィルムの亀裂が発生します。
生産時に最適なバイアス電圧を決定する実際的な方法
バイアス電圧掃引が標準的なアプローチです。
ターゲット出力、基板温度、作動圧力、ガス流量を一定に保ちます。バイアス電圧を調整するだけです。各条件の堆積速度、硬度、残留応力、コーティング組成を特徴づけます。
ほとんどのテスト結果では、コーティングの硬度は最初は継続的に上昇します。ある点に達すると、堆積速度は急激に低下します。この転換点は、激しい逆スパッタリングが始まる場所を示します。
最適なバイアス電圧は通常、このしきい値よりわずかに低く設定されます。過剰な再スパッタリングを回避しながら、高いコーティング密度を実現します。-
よくある誤解
多くの技術者は、バイアス電圧が高いほどプロセスが高度になると考えています。これは誤解です。
基材のバイアスはロードローラーに例えることができます。圧力が不十分だと舗装を締め固めることができません。適度な圧力により、滑らかで固体の表面が得られます。過度の圧力が路面をこすり落とします。
まとめ
逆スパッタリングは固有の物理現象です。バイアスが高すぎると、高エネルギー イオンがすでに堆積されたコーティングを再エッチングする可能性があります。{{1}
適度な再スパッタリングにより、膜の緻密化が促進されます。-ただし、過剰な再スパッタリングは、堆積速度の低下、組成のドリフト、応力の増加、構造劣化を引き起こします。
バイアス電圧は、値が高くても優れていません。成熟したプロセスでは、堆積されたコーティングを侵食することなく、膜を緻密化するのに十分なイオン衝撃というバランスがとれます。
