Efecto de la corriente de arco en la morfología de la superficie de películas finas de estaño

- Jun 21, 2018-


La Fig. 1 muestra la imagen de electrones secundarios de SEM de la morfología de la superficie de la película preparada a diferentes intensidades de corriente de fuente de arco. Se puede ver que a medida que aumenta la corriente de la fuente de arco, aumenta el número de gotitas en la superficie de la película, el tamaño también se hace más grande y la calidad de la superficie de la película disminuye.

 

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

 

Fig.1. Morfología de la superficie de las películas de TiN producidas bajo diferentes corrientes de arco de origen

 

La corriente de la fuente de arco tiene un mayor impacto en el número y el tamaño de las gotitas en la superficie de la película. A partir del principio básico de ión de arco, se puede saber que en condiciones de vacío, el cátodo de metal (objetivo de fuente de arco) y el electrodo de gatillo disparan a una tensión de impulso de 10 kV, mientras que el arco de cátodo tiene una fuerte densidad de corriente de descarga (106 A / cm2 ~ 108 A / cm2) y se enfoca en un área muy pequeña de arco de 5μm a 6μm (Fig. 2), resultando en una temperatura alta por encima de 6000 ° C, permitiendo la rápida evaporación del material del cátodo mientras se genera emisión de campo térmico intenso e ionización para formar plasma metálico de alta densidad. Debido a que la densidad de potencia de la mancha de arco es demasiado concentrada, la piscina de arco es más profunda y forma un volumen de líquido excesivo. Cuando la mancha de arco emite partículas (electrones, iones, átomos, grupos de átomos, etc.), las partículas también tienen un efecto anticorrosión en la superficie del líquido de la mancha de arco. Hace que los iones se aceleren a través del potencial de la envoltura hacia la superficie del líquido mientras bombardea el líquido con una gran energía cinética, de modo que una gran cantidad de átomos líquidos en el baño reciben simultáneamente mucha más energía que la energía de enlace, lo que resulta en una gran cantidad de átomos de emisión concentrada para formar emisión de gotitas. Cuanto mayor es la densidad de potencia de descarga del objetivo de fuente de arco, más profundo se forma el grupo de soldadura en la superficie del objetivo de fuente de arco, y mayor es el diámetro de punto, por lo que el tamaño de la potencia de descarga afectará directamente a la generación de gotas. La expresión es:

 

P = IU / S

 

I-Corriente de descarga promedio; Voltaje de descarga en U; Área S-Superficie del objetivo del cátodo

 

A partir de la ecuación, puede verse que la corriente de fuente de arco aumenta, la densidad de potencia de descarga objetivo de la fuente de arco aumenta en consecuencia, la cantidad y el tamaño de las gotitas generadas también aumentan para hacer que la calidad de la superficie de la película disminuya.


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N: Nitrógeno, gotitas de M: Ti. El proceso principal: A-partículas positivas se mueven hacia el sustrato, las partículas neutras B se depositan en el sustrato, la pulverización secundaria de partículas C-neutras, la pulverización secundaria de las gotitas de D-Ti, los objetivos de pulverización de partículas E. Reacciones principales: X + e-1 X * + e-1, X * X + hv, partículas neutras X, partículas cargadas X *, energía hv, cuando los iones Ti y N se encuentran en el sustrato, TiN se forma.

 

Fig.2 Proceso de formación de la película de TiN de múltiples arcos y gotitas superficiales

 

Durante el vuelo desde el objetivo de la fuente de arco hasta el sustrato (muestra) de las gotitas pulverizadas desde el objetivo fuente del arco del cátodo, algunas de las partículas colisionarán con otras y se harán más pequeñas, pero algunas siguen siendo grandes, por lo que hay muchos tamaños diferentes de gotitas en la superficie de la película de TiN. Además, con el aumento de la corriente de la fuente de arco, aparecen algunas picaduras en la superficie de la película. Cuanto más grande es la corriente, más obvio es este fenómeno, se puede ver en la Fig. 1. Estos pozos están formados por la gota de las gotas que chisporrotean en la superficie. Cuando la corriente de la fuente del arco aumenta, la velocidad de vuelo de las gotas pulverizadas es grande, y no colisionarán directamente con otras partículas en la atmósfera del plasma y alcanzarán la superficie del sustrato (muestra) directamente. Si estas partículas de gotita no pueden pulverizarse con el segundo chisporroteo inverso (D en la Fig. 2), permanecerán en la película, y algunas de ellas incluso penetrarán toda la película desde el sustrato (como se muestra mediante las flechas A y B en la Fig. 3). Cuanto mayor sea la corriente de fuente del arco, más obvio será este fenómeno.

 

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Fig. 3 Grandes gotas que penetran la película de TiN