Filmtillväxt

Alla tunna filmavsättningsprocesser består av tre steg:

1. Produktion av filmbildande arten

2. Transport av dessa arter från källan till substratet

3. kondensering och syning på substratet

I PVD är det första steget antingen avdunstning eller förstoftning, det andra steget innebär sikttransport om processtrycket är mycket lågt och det finns en liten sannolikhet för kollisioner eller flödestransport om trycket är högt. Transporttypen påverkar den faktiska tillväxten av filmen i det tredje steget.

När en atom anländer till substratytan och adsorberas kommer den att diffundera på ytan tills den antingen desorberas eller fastnar på en energiskt gynnsam plats. Denna ytdiffusion är beroende av vilken energi atomen har vid ankomsten till ytan och om substratet tillföres av en ytterligare energi, t ex genom uppvärmning eller jonbombardemang. Atomenergin är beroende av trycket i avsättningskammaren, ett högt tryck minskar energin på grund av energitab i kollisioner. Jonbombardemanget av ytan är möjlig i plasmabaserade metoder och kan styras av en negativ biaspänning av substratet med avseende på plasman.

Om atomen håller fast vid en annan filmatom vid ytan, skapas ett lågrörelsepar och det ökar sannolikheten för att ytterligare en atom håller fast vid dem. Vid ett kritiskt antal atomer eller en kritisk kärnstorlek bildas en kärna. Dessa kärnor kommer att växa till kristallina öar som kommer att koalesera när de möter varandra och slutligen bildar en kontinuerlig film. Beroende på processparametrarna fortsätter filmtillväxten på olika sätt vilket ger olika mikrostrukturer. Filmen kan växa från lager till lager eller på 3D-öar eller i en kombination av dessa två tillväxtlägen.

I PVD är filmtillväxten ofta kolumnar, dvs kristalliterna växer i kolumner med mer eller mindre utvecklade korngränser mellan dem. Korngränserna kan innehålla hålrum och försämra de flesta egenskaper hos filmen, men en riktigt tät kolumnär film kan exempelvis ha utmärkta tribologiska egenskaper. En fullständig tät mikrostruktur i filmen är ofta mycket önskvärt. Eftersom den täta mikrostrukturen främjas genom jonbombardemang av den växande filmen, kan sådana filmer ofta deponeras genom PVD-metoder i högdensitetsplasm.

Flera filmtillväxtmodeller för påverkan av avsättningstillståndet på filmens mikrostruktur har utvecklats. Vanligtvis används de empiriska strukturzonmodellerna där olika tillväxtlägen (zoner) identifieras i ett diagram för olika temperaturer till smältemperaturen (T / T m). En omfattande översyn av sådana modeller publicerades av John A. Thornton 1977 och följer en kort sammanfattning av detta. Movchan och Demchishin gjorde följande klassificering: Zon 1 visas när T / T m <0,3 och="" kännetecknas="" av="" hög="" ytjämnhet="" och="" avgränsade=""> Zon 2 visas när 0,3 <0,5 och="" kännetecknas="" av="" en="" matta,="" slät="" yta="" och="" kolumnar="" med="" olika,="" täta=""> Zon 3 visas när 0,5 <1 och="" kännetecknas="" av="" en="" ljus="" yta="" och="" likvärdiga=""> Strukturen och egenskaperna hos denna zon ligger nära bulkmaterial. Thornton har föreslagit en utökad modell där påverkan av processgastrycket läggs till i en andra axel i diagrammet. I detta diagram kan en fjärde zon (zon T, övergång) identifieras mellan zon 1 och zon 2. Zon T-strukturen är tät och fibrös utan spolade korngränser.