Crescita del film

Tutti i processi di deposizione di film sottili sono costituiti da tre fasi:

1. produzione della specie che forma il film

2. trasporto di queste specie dalla sorgente al substrato

3. condensa e cuciture sul substrato

Nel PVD il primo passo è l'evaporazione o lo sputtering, il secondo passaggio implica il trasporto della linea di vista se la pressione del processo è molto bassa e se la pressione è elevata è presente una piccola probabilità di collisioni o un trasporto del flusso. Il tipo di trasporto influenza la crescita effettiva del film nella terza fase.

Quando un atomo arriva alla superficie del substrato e viene adsorbito, si diffonderà sulla superficie fino a quando non sarà desorbito o bloccato in un sito favorevole energetico. Questa diffusione superficiale dipende da quale energia l'atomo ha all'arrivo sulla superficie e se il substrato è alimentato da un'energia aggiuntiva, ad esempio mediante riscaldamento o bombardamento ionico. L'energia dell'atomo dipende dalla pressione nella camera di deposizione, un'alta pressione diminuisce l'energia dovuta alle perdite di energia nelle collisioni. Il bombardamento ionico della superficie è possibile in metodi basati sul plasma e può essere controllato da una tensione di polarizzazione negativa del substrato rispetto al plasma.

Se l'atomo si attacca a un altro atomo di pellicola in superficie, viene creata una coppia a bassa mobilità che aumenta la probabilità che un altro atomo si attacchi a loro. Ad un numero critico di atomi, o ad una dimensione critica del nucleo, si forma un nucleo. Questi nuclei cresceranno in isole cristalline che si uniranno quando si incontreranno e infine formeranno un film continuo. A seconda dei parametri di processo, la crescita del film continuerà in modi diversi dando diverse microstrutture. Il film può crescere strato per strato o in isole 3D o in una combinazione di queste due modalità di crescita.

Nel PVD la crescita del film è spesso colonnare, cioè i cristalliti crescono in colonne con confini di grano più o meno sviluppati tra loro. I bordi dei grani possono contenere vuoti e deteriorano la maggior parte delle proprietà del film, ma un vero film colonnare denso può avere ad esempio eccellenti proprietà tribologiche. Una microstruttura densa e completa nel film è spesso molto desiderabile. Poiché la densa microstruttura è promossa dal bombardamento ionico del film in crescita, tali film possono spesso essere depositati con metodi PVD in plasmi ad alta densità.

Sono stati sviluppati diversi modelli di crescita del film per l'influenza della condizione di deposizione sulla microstruttura del film. Comunemente utilizzati sono i modelli di zona della struttura empirica in cui sono identificate diverse modalità di crescita (zone) in un diagramma per diversi rapporti di temperatura a temperatura di fusione (T / T m). Una vasta recensione di tali modelli è stata pubblicata da John A. Thornton nel 1977 e qui ne segue un breve riassunto. Movchan e Demchishin hanno fatto la seguente classificazione: La zona 1 appare quando T / T m <0,3 ed="" è="" caratterizzata="" da="" un'elevata="" rugosità="" superficiale="" e="" da="" bordi="" di="" grano=""> La zona 2 appare quando 0.3 <0.5 ed="" è="" caratterizzata="" da="" una="" superficie="" opaca,="" liscia="" e="" colonnare="" con="" confini="" distinti="" e=""> La Zona 3 appare quando 0.5 <1 e="" sono="" caratterizzati="" da="" una="" superficie="" luminosa="" e="" grani=""> La struttura e le proprietà di questa zona sono vicine al materiale sfuso. Thornton ha proposto un modello esteso in cui l'influenza della pressione del gas di processo viene aggiunta in un secondo asse nel diagramma. In questo diagramma è possibile identificare una quarta zona (zona T, transizione) tra la zona 1 e la zona 2. La struttura della zona T è densa e fibrosa, senza limiti di grana annullati.