تاثیر ولتاژ بایاس زیرلایه روی ویژگی های مکانیکی و مقاومت لایه تیتانیوم نیترات نشانده شده با استفاده

تیتانیوم نیترات (TiN) یکی از موادی است که به علت سختی زیاد، مقاومت بالا در برابر خوردگی و پایداری گرمایی، به عنوان یک پوشش سخت، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. برای این که بتوان از این ماده به عنوان یک پوشش محافظ استفاده کرد، باید فرایند لایه نشانی آن به گونه ای صورت پذیرد که لایه ایجاد شده علاوه بر ترکیب شیمیایی از نظر سختی و سایر ویژگی ها، یک پوشش سخت به شمار آید. برای این منظور پارامترهای مختلفی باید در حین لایه نشانی مد نظر قرار گیرند که یکی از مهمترین این پارامترها، اعمال ولتاژ بایاس به زیرلایه است. ایجاد یک لایه نازک از این ماده عمدتا با روش اسپاترینگ مگنترون RF یاDC  صورت می پذیرد. یکی از مشکلات استفاده از لایه نشانی به روش اسپاترینگ ” اثر  سایه ” حین فرایند لایه نشانی است. این اثر به دلیل انرژی کم ذراتی است که به زیرلایه می رسند و در نتیجه قسمت هایی از زیرلایه، لایه نشانی نمی شوند. در حین فرایند لایه نشانی، مناطقی روی زیرلایه شکل می گیرند که احتمال شکل گیری هسته اولیه لایه نازک در آن مناطق که اصطلاحا به آن ها جزیره می گویند، بیشتر است و ذرات بیشتری را نسبت به نواحی اطراف به خود جذب می کنند. در نتیجه تپه مانندهایی بر روی زیرلایه شکل می گیرند که نواحی مجاور آنها (دره ها) به علت سایه اندازی مناطق تپه، ذرات کمتری را دریافت می کنند. اثر سایه باعث مشکلات و نواقص فراوانی در لایه نازک ایجاد شده، می شود. از جمله این نواقص عبارتند از ایجاد حفره های کوچک و شکاف های بزرگ در سطح لایه نازک. این نواقص موجب عدم کارایی مناسب لایه نازک نشانده شده می شود. برای از بین بردن این نواقص برخی از محققان پیشنهاد دادند که از اثر “Re-Sputtering ” با کاهش فشار فرایند لایه نشانی و افزایش اثر یون های بمباران کننده، استفاده شود. کاهش فشار موجب افزایش ولتاژ و متوسط انرژی ذرات می شود. اگر انرژی ذرات بمباران کننده از حد مورد نیاز اسپاترینگ تجاوز کند، اتم ها می توانند از تپه ها عبور کرده و در نواحی دره مانند لایه نشانی شده و در نهایت منجر به شکل گیری لایه نازک با چگالی مناسب شوند. فارغ از اثر سایه، مشکل معمول مرتبط با فرایند لایه نشانی به روش مگنترون اسپاترینگ، نسبت یونیزاسیون کم مواد اسپاتر شونده است. نسبت یونیزاسیون معمولا در مگنترون اسپاترینگ DC، کمتر از 5 درصد است که برای ایجاد یک لایه نازک بدون نقص و چگال، کافی نیست. برخی محققان به بررسی ایجاد لایه نازک چگال با بهبود نرخ یونیزاسیون با استفاده از روش های مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی(Unbalanced Magnetron Sputtering) و مگنترون اسپاترینگ با پلاسمای تقویت شده (Plasma Enhanced Magnetron Sputtering) پرداخته اند. 

در فرایند مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی، آهن رباهای استفاده شده در حلقه خارجی در قسمت کاتد، قوی تر از آهن رباهای مرکزی هستند. در نتیجه تعدادی از الکترون ها از دام میدان مغناطیسی شکل گرفته در اطراف تارگت فرار کرده و به سمت زیر لایه حرکت می کنند که در نتیجه آن بمباران یونی زیرلایه به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد و بدین ترتیب موجب تشکیل یک پلاسمای جدید دور از ماده هدف و نزدیک زیرلایه می شوند. با به کار بردن یک مگنترون غیر تعادلی، جریان یونی که به سمت زیر لایه در حرکت است را  می توان کنترل نمود و  بدین ترتیب می توان کیفیت لایه نشانی را به طور چشم گیری افزایش داد.