Wirkung des Lichtbogenquellenstroms auf die Oberflächenmorphologie von dünnen Zinnschichten

Fig. 1 zeigt das REM-Sekundärelektronenbild der Oberflächenmorphologie des Films, der bei unterschiedlichen Stromstärken des Lichtbogenquellenstroms hergestellt wurde. Es kann gesehen werden, dass, wenn der Lichtbogenquellenstrom zunimmt, die Anzahl von Tröpfchen auf der Oberfläche des Films zunimmt, die Größe auch größer wird und die Oberflächenqualität des Films abnimmt.

a) I = 40A, b) I = 50A, c) I = 70A, d) I = 80A, e) I = 90A, f) I = 100A

Abb.1 Oberflächenmorphologie von TiN-Filmen, die unter verschiedenen Lichtbogenquellenströmen erzeugt wurden

Der Strom der Lichtbogenquelle wirkt sich stärker auf die Anzahl und Größe der Tröpfchen auf der Oberfläche des Films aus. Aus dem Grundprinzip der Lichtbogenionenplattierung ist bekannt, dass die Metallkathode (Lichtbogenquellenziel) und die Triggerelektrode unter Vakuumbedingungen eine Entladung bei einer Pulsspannung von 10 kV auslösen, während der Kathodenlichtbogen eine starke Entladungsstromdichte aufweist (106 A / cm² ~ 108 A / cm²) und konzentriert sich auf eine sehr kleine Lichtbogenfleckfläche von 5 um bis 6 um (Fig. 2), was zu einer hohen Temperatur über 6000ºC führt, was eine schnelle Verdampfung des Kathodenmaterials während der Erzeugung ermöglicht intensive thermische Feldemission und Ionisierung zur Bildung von hochdichtem Metallplasma. Da die Leistungsdichte des Lichtbogenflecks zu konzentriert ist, ist das Lichtbogenbecken tiefer und bildet ein überschüssiges Flüssigkeitsvolumen. Wenn der Lichtbogenfleck Teilchen emittiert (Elektronen, Ionen, Atome, Atomgruppen usw.), haben die Teilchen auch eine Antikorrosionswirkung auf die Flüssigkeitsoberfläche des Lichtbogenflecks. Sie lassen Ionen durch das Mantelpotential zur Flüssigkeitsoberfläche beschleunigen, während sie die Flüssigkeit mit einer großen kinetischen Energie bombardieren, so daß eine große Anzahl von flüssigen Atomen im Bad gleichzeitig viel mehr Energie erhält als die Bindungsenergie, was zu einer großen Anzahl von Atomen führt Atome konzentrierte Emission, um Tröpfchenemission zu bilden. Je größer die Entladungsleistungsdichte des Lichtbogenquellenziels ist, desto tiefer ist das Schweißbad, das auf der Oberfläche des Lichtbogenquellenziels ausgebildet ist, und desto größer ist der Lichtfleckdurchmesser, so dass die Größe der Entladungsleistung die Erzeugung von Tröpfchen direkt beeinflusst. Der Ausdruck ist:

P = IU / S

I-Durchschnittlicher Entladungsstrom; U-Entladungsspannung; S-Oberflächenbereich des Kathodenziels

Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass der Lichtbogenquellenstrom zunimmt, die Entladungsleistungsdichte des Lichtbogenquellenziels entsprechend ansteigt, die Menge und Größe der erzeugten Tropfen auch zunimmt, um die Oberflächenqualität des Films zu verringern.

N: Stickstoff, M: Ti-Tröpfchen. Der Hauptprozess: A - positive Partikel bewegen sich auf das Substrat, B-neutrale Partikel lagern sich auf dem Substrat ab, sekundäres Sputtern von C-neutralen Partikeln, sekundäres Sputtern von D-Ti-Tröpfchen, E-Partikel-Sputtertargets. Hauptreaktionen: X + e-1 → X * + e-1, X * → X + hv, X-neutrale Partikel, X * -geladene Partikel, hv-Energie, wenn sich Ti-Ionen und N-Ionen auf dem Substrat treffen, TiN gebildet.

Abb. 2: Bildung eines Mehrbogen-Ionen-plattierten TiN-Films und Oberflächentröpfchen

Während des Fluges vom Lichtbogenquellenziel zum Substrat (Probe) der vom Kathodenlichtbogenquellenziel zerstäubten Tröpfchen kollidieren einige der Teilchen mit anderen und werden kleiner, aber einige von ihnen sind noch groß, so dass es viele verschiedene Größen gibt von Tröpfchen in der TiN-Filmoberfläche. Mit dem Anstieg des Stromes der Lichtbogenquelle erscheinen einige Gruben auf der Oberfläche des Films. Je größer der Strom ist, desto offensichtlicher ist dieses Phänomen, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Diese Gruben werden durch den Tropfen der auf der Oberfläche zerstäubten Tröpfchen gebildet. Wenn der Strom der Lichtbogenquelle ansteigt, ist die Fluggeschwindigkeit der zerstäubten Tröpfchen groß und sie kollidieren nicht direkt mit anderen Teilchen in der Plasmaatmosphäre und erreichen die Oberfläche des Substrats (Probe) direkt. Wenn diese Tröpfchenteilchen nicht durch sekundäres umgekehrtes Sputtern (D in Fig. 2) gesputtert werden können, verbleiben sie in dem Film und einige von ihnen durchdringen sogar den gesamten Film von dem Substrat (wie durch Pfeile A und B in Fig. 2 gezeigt). 3). Je größer der Lichtbogenquellenstrom ist, desto offensichtlicher wird dieses Phänomen.

Abb. 3 Große Tröpfchen, die den TiN-Film durchdringen