Paramètres de pulvérisation inverse : à quelle tension de polarisation le film déposé est-il re-pulvérisé ?
Le film déjà déposé sera-t-il renversé lorsque la tension de polarisation est élevée ?
La réponse est oui.
Ce phénomène est connu sous le nom de pulvérisation inverse (ou re-pulvérisation) en PVD.
Une fois que la tension de polarisation dépasse un seuil critique, l’énergie ionique devient suffisamment élevée pour déloger les atomes du film déjà déposés et les éjecter à nouveau dans la phase gazeuse. Le taux de dépôt diminue en conséquence. Dans les cas graves, un dépôt négatif se produit - le film s'amincit avec le temps.
Qu’est-ce que la pulvérisation inverse ?
Lors du dépôt PVD, deux processus se déroulent simultanément sur la surface de la pièce :
Croissance du film : les atomes pulvérisés depuis la cible se déplacent vers le substrat et accumulent le revêtement.
Gravure de film : les ions accélérés par polarisation bombardent la pièce et font tomber les atomes déjà déposés.
Par conséquent, le taux de dépôt net suit cette relation :
Taux de dépôt net=Taux de dépôt − Re-Taux de pulvérisation
Dans des conditions de fonctionnement normales, le taux de dépôt dépasse le taux de re-pulvérisation, de sorte que l'épaisseur du film augmente. À mesure que la tension de polarisation augmente, la re-pulvérisation s'intensifie. Finalement, le taux d’élimination des atomes peut dépasser le taux de dépôt.
Introduisons d'abord le concept fondamental : le rendement de la pulvérisation.
Le rendement de pulvérisation fait référence au nombre moyen d'atomes éjectés lorsqu'un ion à haute énergie - frappe un matériau. Par exemple, lorsque des ions argon de 500 eV bombardent du chrome (Cr), le rendement de pulvérisation varie d'environ 0,6 à 0,8 atomes de Cr par ion. Généralement, une énergie ionique plus élevée génère un rendement de pulvérisation plus élevé. Par conséquent, une tension de polarisation plus élevée accélère le taux d’enlèvement de matière de la surface de la pièce.
La tension de polarisation critique diffère selon les matériaux :
Métaux purs (Cr, Ti, etc.)
50-100 V : dépôt normal
200-300 V : une re-pulvérisation notable commence
300-500 V : le taux de dépôt s'approche de zéro
Au-dessus de 500 V : une gravure nette peut se produire
Les métaux purs sont les plus susceptibles d'être re-pulvérisés.
Nitrures (TiN, CrN, etc.)
Les nitrures présentent une liaison chimique plus forte, ce qui rend les atomes plus difficiles à déloger. Ainsi, leur tension de polarisation critique pour une re-pulvérisation importante est plus élevée.
En dessous de 200 V : dépôt normal stable
300-500 V : réduction évidente du taux de dépôt
500-800 V : approche du seuil critique pour l'enlèvement net de matière
DLC (Diamant-Comme Carbone)
Le DLC est un cas particulier. De nombreux processus ta-C (carbone amorphe tétraédrique) utilisent une polarisation pulsée entre -800 V et -1 500 V. Cependant, grâce au mode pulsé et à l'énergie ionique moyenne modérée, un dépôt stable peut toujours être maintenu. Une pulvérisation inverse sévère n'apparaît qu'à des énergies ioniques encore plus élevées.
Pourquoi une re-pulvérisation modérée est bénéfique
De nombreux nouveaux arrivants considèrent à tort la re-pulvérisation comme un effet indésirable, ce qui est incorrect.
En PVD, la polarisation du substrat repose en partie sur une légère repulvérisation-pour améliorer la qualité du revêtement. Les atomes faiblement liés, les particules faiblement adhérentes et les microstructures instables sont préférentiellement pulvérisées. Seules subsistent des structures stables et densément liées. Le mécanisme ressemble à celui du tamisage du sable : les grains en vrac sont éliminés, laissant une structure compacte.
Par conséquent, une nouvelle pulvérisation contrôlée et douce est un facteur clé pour la densification du film.
Problèmes résultant d'une re-pulvérisation excessive
Des problèmes surviennent lorsque la nouvelle-pulvérisation devient trop intense :
Taux de dépôt réduit
C’est l’observation la plus directe. Même avec une puissance cible inchangée, l’épaisseur du film augmente beaucoup plus lentement, car le matériau nouvellement déposé est continuellement éliminé par gravure.
Changement dans la composition de l'alliage
Prenons l'exemple du TiAlN : l'aluminium est plus facile à repulper-que le titane. La teneur en aluminium du revêtement diminue progressivement, conduisant à une composition finale s'écartant de l'objectif de conception.
Structure cristalline perturbée
Une polarisation excessivement élevée soumet le réseau cristallin formé à un bombardement ionique persistant. Les conséquences comprennent des contraintes intrinsèques considérablement élevées, une augmentation des défauts, des structures de grains endommagées, des revêtements cassants et même des fissures du film.
Méthode pratique pour déterminer la tension de polarisation optimale en production
Le balayage de tension de polarisation est l’approche standard.
Maintenir la puissance cible, la température du substrat, la pression de travail et le débit de gaz constants ; ajustez uniquement la tension de polarisation. Caractériser le taux de dépôt, la dureté, la contrainte résiduelle et la composition du revêtement pour chaque condition.
Dans la plupart des résultats de tests, la dureté du revêtement augmente continuellement au début. Après avoir atteint un certain point, le taux de dépôt diminue fortement. Ce tournant marque le début d’une pulvérisation inverse sévère.
La tension de polarisation optimale est généralement réglée légèrement en dessous de ce seuil. Il offre une densité de revêtement élevée tout en évitant une nouvelle-pulvérisation excessive.
Une idée fausse courante
De nombreux techniciens supposent qu'une tension de polarisation plus élevée équivaut à un processus plus avancé. C'est un malentendu.
La polarisation du substrat peut être comparée à celle d'un rouleau compresseur : une pression insuffisante ne parvient pas à compacter la chaussée ; une pression modérée donne une surface lisse et solide ; une pression excessive gratte la surface de la route.
Résumé
La pulvérisation inverse est un phénomène physique inhérent. Une polarisation excessivement élevée permet aux ions à haute-énergie de récupérer-des revêtements déjà déposés.
Une re-pulvérisation modérée facilite la densification du film. Cependant, une nouvelle pulvérisation- excessive entraîne un dépôt plus lent, une dérive de la composition, une augmentation des contraintes et une dégradation structurelle.
La tension de polarisation n'est pas supérieure à des valeurs plus élevées. Un procédé mature permet de trouver l'équilibre : un bombardement ionique suffisant pour densifier le film, sans éroder le revêtement déposé.
