Физик ууршилтын тунадасжилт (PVD)-д хальсны нягтрал нь бүрхүүлийн механик, оптик, цахилгаан болон зэврэлтээс хамгаалах гүйцэтгэлийг тодорхойлдог гол үзүүлэлтүүдийн нэг юм. Хатуу бүрхүүл, гоёл чимэглэлийн хальс, оптик бүрхүүл болон функциональ нимгэн хальсны хувьд нягт бичил бүтэц нь ерөнхийдөө илүү сайн наалдацтай, өндөр хатуулагтай, бага сүвэрхэг чанартай, элэгдэл болон хүрээлэн буй орчны доройтолд тэсвэртэй байдагтай холбоотой байдаг.
Гэсэн хэдий ч хальсны нягтрал нь зүгээр л тунадасны хүч эсвэл тунадасны хурдыг нэмэгдүүлснээр тодорхойлогддоггүй. Үндсэндээ энэ нь ургаж буй хальсанд дамжуулж буй энергийн нягтралтай нягт холбоотой бөгөөд энэ нь гадаргуугийн хөдөлгөөн, адоматомын тархалт, цөм үүсэх зан төлөв, үр тарианы өсөлт, тунадасны үеийн согогийн хувьсал зэргийг зохицуулдаг.
Тиймээс PVD процессыг оновчтой болгохын тулд энергийн оролт, ионы бөмбөгдөлт, субстратын температур болон хальсан бичил бүтцийн хоорондын хамаарлыг ойлгох нь чухал юм.
1. PVD-д энергийн нягтрал гэж юу вэ?
PVD-д энергийн нягтрал гэдэг нэр томьёо нь ерөнхийдөө нэгж талбайд болон өгөгдсөн процессын хугацаанд субстрат эсвэл ургалтын хальсанд дамжуулж буй энергийн хэмжээг тодорхойлдог. Практик процессын инженерчлэлд энэ нь ионы энерги, ионы урсгал, субстратын хазайлт, плазмын нягтрал, цэнэг алдалтын чадал, тунадасны хурд, субстратын температур зэрэг параметрүүдтэй нягт холбоотой байдаг.
Ионжуулсан PVD процессууд, ялангуяа катодын нуман тунадасжуулалт болон өндөр чадлын магнетрон цацалтын үед ургалтын хальс нь зөвхөн төвийг сахисан тунадасны төрөл зүйлд төдийгүй энергийн ионуудад өртдөг. Тохиромжтой субстратын хазайлтыг хэрэглэхэд эдгээр ионууд нь субстратын гадаргуу руу хурдасч, энергийг ургалтын хальс руу дамжуулдаг.
Энэхүү энергийн оролт нь гадаргуу дээрх хуримтлагдсан атом ба ионуудын хөдөлгөөнд нөлөөлдөг. Хангалттай энерги нь адатомуудад орон нутгийн диффузийн саадыг даван туулах, энергийн хувьд таатай байрлал руу шилжих, хөгжиж буй хальсан доторх микроскопийн хоосон зайг дүүргэх боломжийг олгодог. Үүний үр дүнд хальс нь харьцангуй сүвэрхэг бүтцээс нягт, авсаархан бичил бүтэц рүү шилжиж болно.
Тиймээс энергийн нягтралыг PVD процессын параметрүүд болон эцсийн хальсан бүтцийн хоорондох чухал гүүр гэж үзэх хэрэгтэй.
2. Яагаад энергийн оролт нь хальсны нягтралыг тодорхойлдог вэ?
Тунадасны эхний үе шатанд субстрат дээр ирсэн атом эсвэл ионууд тэр даруй төгс нягт давхарга үүсгэдэггүй. Тэд гадаргуу дээр цөм болж, шилжиж, аажмаар арлууд үүсгэдэг бөгөөд энэ нь эцэстээ тасралтгүй хальс болж нийлдэг.
Хэрэв ирж буй зүйлүүдийн кинетик энерги хангалтгүй байвал тэдгээрийн гадаргуугийн хөдөлгөөн хязгаарлагдмал байдаг. Тэд анхны буух байрлалдаа ойрхон байж болох бөгөөд энэ нь гадаргуугийн бүрэн бус тархалт болон микроскопийн хөндий үүсэхэд хүргэдэг. Тунадас үргэлжилсээр байх тусам эдгээр хөндий нь багана хэлбэртэй, харьцангуй сүвэрхэг бичил бүтэц болж хөгжиж болно.
Энэ үзэгдэл нь бага температурт тунадасжуулалтын процесс эсвэл ионы бөмбөгдөлт хангалтгүй ажилладаг системд онцгой чухал юм.
Өсөн нэмэгдэж буй хальсанд дамжуулж буй энергийг зохих түвшинд хүргэхэд гадаргуугийн тархалт илүү идэвхтэй болдог. Тунадсан зүйлүүд гадаргуу дээгүүр нүүдэллэн шилжиж, бага энергийн байрлалд ордог бол ионы бөмбөгдөлт нь атомын дахин зохион байгуулалт, согогийг багасгах, хоосон зайг хаахыг дэмждэг. Үүссэн хальс нь ерөнхийдөө илүү нягт морфологи, илүү хүчтэй гадаргуугийн холбоог харуулдаг.
Микро бүтцийн үүднээс авч үзвэл зорилго нь зүгээр л "эрчим хүчийг нэмэгдүүлэх" биш, харин хальсан өсөлтийн үед энерги-урсгалын зохистой харьцааг тогтоох явдал юм.
3. Субстратын хэвийлтийн үүрэг
Боломжтой PVD процессын параметрүүдийн дунд субстратын хэвийсэн хүчдэл нь ионы бөмбөгдөлтийн энергийг хянах хамгийн шууд аргуудын нэг юм.
Суурь дээр сөрөг хазайлтыг хэрэглэх нь эерэг цэнэгтэй ионуудыг субстратын гадаргуу руу хурдасгадаг цахилгаан потенциал үүсгэдэг. Хазайлтын хэмжээг нэмэгдүүлэх нь ерөнхийдөө ионы нөлөөллийн энергийг нэмэгдүүлдэг бөгөөд энэ нь гадаргуугийн идэвхжил болон хальсны нягтралыг сайжруулж чаддаг.
Жишээлбэл, TiN, CrN, TiAlN, DLC болон бусад функциональ бүрхүүлийг хуримтлуулахад тохиромжтой хэвийх нөхцөл нь хальсны нягтрал, хатуулаг, наалдац, элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг сайжруулж чадна.
Гэсэн хэдий ч хэвийсэн хүчдэл ба хальсны чанарын хоорондын хамаарал шугаман биш юм. Хэрэв ионы бөмбөгдөлтийн энерги хэт ихэсвэл цууралт, суулгац, үлдэгдэл стресс хуримтлагдах, субстратын халаалт, согог үүсэх, тэр ч байтугай субстратын гэмтэл зэрэг хэд хэдэн хүсээгүй үр дагавар гарч болзошгүй.
Хэт их ионы бөмбөгдөлт нь өмнө нь хуримтлагдсан атомуудыг хальсны гадаргуугаас зайлуулж, цэвэр тунадасны хурдыг бууруулж, бүрхүүлийн найрлагыг өөрчлөх боломжтой.
Тиймээс, зүгээр л өндөр гажуудлын хүчдэлийг эрэлхийлэхийн оронд субстратын материал, бүрэх систем, ионы төрөл, плазмын нягтрал, тунадасны хурд, шаардлагатай хальсны шинж чанараас хамааран оновчтой субстратын хазайлтыг тодорхойлох хэрэгтэй.
4. Ионы урсгал ба ионы энергийг хамтад нь авч үзэх ёстой
Киноны нягтрал нь зөвхөн ионы энергиэс илүү ихээр хянагддаг. Ионы урсгал буюу нэгж талбай болон хугацаанд субстратад хүрч буй ионуудын тоо нь адил чухал юм.
Өндөр энергитэй ионы урсгал нь ургаж буй хальсыг мэдэгдэхүйц өөрчилж болох боловч хэрэв ионы урсгал хэт бага байвал хальс руу дамжуулсан нийт энерги хангалтгүй хэвээр үлдэж магадгүй юм. Үүний эсрэгээр, хэт их энергитэй үед маш өндөр ионы урсгал нь хүчтэй бөмбөгдөлт болон хүсээгүй шуугиан эсвэл дулааны ачаалалд хүргэж болзошгүй юм.
Ийм учраас дэвшилтэт PVD процессын хөгжил нь субстратын хэвийлтийг тусгаарлагдсан параметр гэж үзэхийн оронд ионы энерги ба ионы урсгалын хоорондын хосолсон хамаарлыг хянах тал дээр улам бүр анхаарлаа хандуулж байна.
Энэ хамаарал нь катодын нуман PVD болон өндөр чадлын импульсийн магнетрон цацалт (HiPIMS) зэрэг өндөр ионжуулсан тунадасжуулалтын процесст онцгой чухал юм. Тунадасжуулалтын зүйлийн ионжуулалтын фракцийг нэмэгдүүлснээр эдгээр технологиуд нь ургаж буй хальсанд дамжуулж буй энергийг хянах илүү уян хатан байдлыг бий болгодог.
5. Эрчим хүчний нягтрал ба бичил бүтцийн хувьсал
Эрчим хүчний нягтралын нөлөөг хальсны бичил бүтцийн хувьсалаар дамжуулан ойлгож болно.
Харьцангуй бага энергитэй тунадасны нөхцөлд гадаргуугийн хөдөлгөөн хязгаарлагдмал байх нь, ялангуяа субстратын температур бага, тунадасжсан зүйлийн хөдөлгөөн хангалтгүй үед хоосон эсвэл багана хэлбэртэй ургалтад хүргэж болзошгүй.
Тохиромжтой процессын цонхонд энергийн оролт нэмэгдэхийн хэрээр гадаргуугийн диффузи илүү үр дүнтэй болж, бичил бүтэц аажмаар илүү нягтардаг. Үр тарианы хил хязгаар болон баганын хоорондох хоосон зайг багасгаж болох бол бүрхүүл нь илүү тасралтгүй, механик тогтвортой болдог.
Гэсэн хэдий ч энергийн нягтрал цаашид нэмэгдэхийн хэрээр энэ процесс нь хүчтэй ионы бөмбөгдөлтөөр давамгайлсан горимд орж болно. Цохилт болон атомын гуужуулалт улам бүр чухал болж, өндөр шахалтын үлдэгдэл стресс үүсгэж болзошгүй. Хэдийгээр бүрхүүл нь нягт хэвээр байж болох ч хэт их дотоод стресс нь наалдацыг бууруулж, хагарал эсвэл гуужилт үүсгэдэг.
Тиймээс өндөр энерги үргэлж илүү сайн хальс үүсгэдэг энгийн хамаарлын оронд оновчтой энергийн нягтралын цонх байдаг.
6. Эрчим хүчний нягтрал ба “Атомын нэвчилт”-ийн нөлөө
Ион бөмбөгдөлттэй холбоотой чухал механизмуудын нэг бол атомын нэвчилт юм.
Эрчим хүчний ионы бөмбөгдөлтийн үед орж ирж буй ионууд гадаргуугийн атомууд руу импульс дамжуулж, орон нутгийн атомын шилжилт болон дахин зохион байгуулалтыг үүсгэдэг. Энэ нь атомуудыг илүү нягт савлагдсан тохиргоонд оруулж, өсөн нэмэгдэж буй хальсан доторх задгай эзэлхүүний хөгжлийг дарангуйлдаг.
Үр дүн нь сайжруулсан хатуулаг, механик тогтвортой байдал бүхий илүү нягтралтай бичил бүтэц байж болно.
Энэ механизм нь хатуу PVD бүрхүүлд онцгой хамааралтай. TiN, CrN, TiCN, AlTiN болон холбогдох нитридийн бүрхүүл зэрэг системийн хувьд зохих ионы бөмбөгдөлт нь хальсны нягтралыг өндөрсгөж, механик гүйцэтгэлийг сайжруулж чадна.
Гэсэн хэдий ч хэт их атомын нэвчилт нь их хэмжээний шахалтын үлдэгдэл стресс үүсгэж болзошгүй. Тиймээс, хэт өндөр нягтралтай бүрхүүл нь түүний дотоод стресс нь суурь/бүрхүүлийн гадаргуугийн наалдах чадвараас давсан тохиолдолд хамгийн оновчтой бүрхүүл биш юм.
Практик зорилго нь хальсны нягтрал, үлдэгдэл стресс, наалдац, хатуулаг, тунадасны хурд хоёрын тэнцвэрт байдалд хүрэх явдал юм.
7. Тунадасны хурд нь эрчим хүчний тэнцвэрт байдлыг өөрчилдөг
Эрчим хүчний нягтралыг тунадасны хурдаас хамааралгүйгээр үнэлэх боломжгүй.
Хэрэв ионы бөмбөгдөлтийн нөхцөл өөрчлөгдөхгүй хэвээр байвал тунадасны хурд мэдэгдэхүйц нэмэгдвэл энергийн ионы бөмбөгдөлтийн орж ирж буй тунадасны урсгалтай харьцуулсан харьцаа буурч магадгүй юм. Өөрөөр хэлбэл, гадаргуугийн тархалт болон бүтцийн өөрчлөлтийг дэмжих боломжтой энергийн пропорциональ өсөлтгүйгээр илүү их материал хуримтлагдаж байна.
Энэ нь бага нягтралтай бичил бүтэц рүү шилжихэд хүргэж болзошгүй юм.
Үүний эсрэгээр, ион-саармаг урсгалын зохих харьцааг хадгалах нь тунадасны хурдны өөрчлөлтийг нөхөж, хальсан бүтцийг тогтвортой байлгахад тусалдаг.
Тийм ч учраас аж үйлдвэрийн PVD процессыг хөгжүүлэхдээ зөвхөн чадал болон тунадасны хурдад төдийгүй ионы гүйдлийн нягтрал, ионы энерги, тунадасны урсгал болон субстратын хэвийлт хоорондын хамаарлыг анхаарч үзэх хэрэгтэй.
8. Субстратын температур ба ионы бөмбөгдөлт хамтдаа ажилладаг
Субстратын температур нь хальсны нягтралд нөлөөлдөг бас нэг гол хүчин зүйл юм.
Дулааны энерги нь хуримтлагдсан атомуудад хөдөлгөөнийг өгдөг бол ионы бөмбөгдөлт нь нэмэлт кинетик энерги өгдөг. Хоёр механизм хоёулаа гадаргуугийн тархалт болон бүтцийн өөрчлөлтийг дэмжиж чаддаг.
Инженерийн хуванцар, оптик эд анги, зарим электрон материал зэрэг температурт мэдрэмтгий суурь материалын хувьд суурь материалын температурыг нэмэгдүүлэх боломжгүй байж магадгүй юм. Эдгээр тохиолдолд хяналттай ионы бөмбөгдөлт нь зөвхөн дулааны халаалтад найдахгүй ургаж буй хальсанд нэмэлт энерги өгөх боломжтой тул онцгой ач холбогдолтой болдог.
Энэ нь ионы тусламжтайгаар PVD процессын чухал давуу талуудын нэг юм: харьцангуй бага субстратын температурыг хадгалахын зэрэгцээ эрчим хүчний бөөмсийн бөмбөгдөлтөөр хальсны нягтралыг сайжруулж болно.
Гэсэн хэдий ч ионы бөмбөгдөлт нь өөрөө дулаан үүсгэдэг. Тиймээс температурт мэдрэмтгий материалын дулааны деформаци эсвэл доройтлоос урьдчилан сэргийлэхийн тулд суурийн температурыг тунадасжуулалтын процессын туршид хянаж байх ёстой.
9. Эрчим хүчний нягтралыг бүрхүүлийн системтэй тохирч байх ёстой
Өөр өөр бүрхүүлийн материалууд нь ионы бөмбөгдөлт болон эрчим хүчний оролтын хувьд өөр өөр шаардлага тавьдаг.
Хатуу нитридийн бүрхүүлийн хувьд харьцангуй эрчимтэй ионы бөмбөгдөлт нь өндөр нягтрал, өндөр хатуулаг, хүчтэй наалдацыг олж авахад ихэвчлэн ашигтай байдаг. Оптик бүрхүүлийн хувьд хэт их бөмбөгдөлт нь стресс үүсгэх эсвэл хугарлын индексийн жигд байдлыг өөрчлөх боломжтой. Металл чимэглэлийн бүрхүүлийн хувьд хэт их ионы энерги нь гадаргуугийн морфологи, гялбаа, өнгө, үлдэгдэл стресст нөлөөлж болно.
DLC болон бусад нүүрстөрөгч дээр суурилсан бүрхүүлүүд нь ионы энерги ба тунадасны нөхцлийн тэнцвэрт илүү мэдрэмтгий байдаг, учир нь ионы энерги нь холболтын тохиргоонд нөлөөлж, улмаар sp² ба sp³ холболтын харьцаанд нөлөөлдөг.
Тиймээс PVD бүрээс бүрт хамаарах бүх нийтийн "хамгийн оновчтой энергийн нягтрал" гэж байдаггүй. Материалын систем, суурь, хальсны зузаан, тунадасны хурд, шаардлагатай механик шинж чанар, оптик шаардлага, дулааны хязгаарлалтын дагуу зохих процессын цонхыг тогтоох ёстой.
10. Процессын параметрүүдээс киноны гүйцэтгэл хүртэл
Аж үйлдвэрийн PVD үйлдвэрлэлд энергийн нягтралыг зөвхөн процессын параметрүүдээр бус харин хэмжиж болох хальсны шинж чанараар нь үнэлэх хэрэгтэй.
Зөв оновчтой эрчим хүчний оролтын горим нь хэрэглээнээс хамааран хальсны нягтрал, хатуулаг, наалдац, элэгдэлд тэсвэртэй байдал, зэврэлтээс тэсвэртэй байдал, оптик тогтвортой байдал, хаалтын гүйцэтгэлийг сайжруулахад хувь нэмэр оруулах ёстой.
Хөндлөн огтлолын SEM, XRD, нано хонхорхой, зураасны туршилт, үлдэгдэл стрессийн хэмжилт, гадаргуугийн барзгаржилтын шинжилгээ, хальсны зузааны зураглал зэрэг шинж чанарын аргуудыг процессын параметрүүд болон бүрэх гүйцэтгэлийн хоорондын хамаарлыг тогтооход ашиглаж болно.
Энэ нь PVD процессыг энгийн параметрийн тохируулгаас илүү системчилсэн процессын цонх болон бичил бүтцийн хяналтын стратеги руу шилжүүлэх боломжийг олгодог.
Дүгнэлт
PVD-д энергийн нягтрал нь сул савлагдсан тунадасны бүтцээс нягт, механик тогтвортой хальс руу шилжих шилжилтийг зохицуулдаг үндсэн хүчин зүйлсийн нэг юм. Зохих ионы энерги болон ионы урсгал нь гадаргуугийн тархалтыг сайжруулж, атомын дахин зохион байгуулалтыг дэмжиж, хоосон орон зай үүсэхийг бууруулж, хальсны нягтралыг сайжруулж чадна.
Гэсэн хэдий ч илүү өндөр энерги нь бүрэх гүйцэтгэлийг автоматаар сайжруулна гэсэн үг биш юм. Хэт их ионы бөмбөгдөлт нь цууралт, субстратын халаалт, өндөр шахалтын үлдэгдэл стресс, гадаргуугийн эвдрэлд хүргэж болзошгүй. Гол нь ионы энерги, ионы урсгал, тунадасны хурд, субстратын хазайлт, плазмын нягтрал, субстратын температурын хооронд оновчтой тэнцвэрийг тогтоох явдал юм.
Тиймээс орчин үеийн PVD тоног төхөөрөмжийн хувьд эрчим хүчний оролтыг хянах чадвар нь зөвхөн тунадасны үр ашгийг нэмэгдүүлэх хэрэгсэл биш бөгөөд энэ нь хальсны бичил бүтцийг инженерчлэх, тогтвортой, давтагдах бүрхүүлийн гүйцэтгэлийг бий болгох үндсэн чадвар юм.
-Энэ нийтлэлийг нийтэлсэнвакуум бүрэх тоног төхөөрөмж үйлдвэрлэгч Жэнхуа тоос сорогч
Нийтэлсэн цаг: 2026 оны 8-р сарын 4