Miss.aysoo
کاربر نگاه دانلود
لایه نشانی به روش اسپاترینگ و کاربردهای آن
--------------------------------------------------------------------------------------------------
یکی از روشهای لایه نشانی از فاز بخار است که بطور عمده برای تولید فیلم فلزات از نانو تا میکرو می باشد و تحت شرایط کنترل شده می توان نانوذراتی 3 نانومتری هم به این شیوه بدست آورد. اما فرایند اسپاترینگ عبارتست از کندوپاش اتمهای یا مولکولهای هدف (target) و ایجاد یک فیلم با یونهای یک گاز خنثی که در پلاسما ایجاد شده و درمیدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می گیرند.
تاریخچه
استفاده از اسپاترینگ برای ساخت یک لایه نازک اولین بار در سال 1852 میلادی گزارش شد و از آن زمان دوره های متفاوت جذابت و کم توجهی را به لحاظ اقتصادی و علمی گذارنده است. امروزه دانش کافی نسبت به فرایند پیچیده ای که حین بمباران یونی سطح هدف جامد رخ می دهد توسعه یافته و تجهیزات امروزی قابلت طراحی فرایندی تکرار پذیر و قابل کنترل را مهیا ساخته اند. پیشرفت این شاخه از علم که با اندرکنش یون- سطح مرتبط است با توسعه موازی فناوری خلا بالا و روشهای بسیار حساس میکرو آنالیز تسریع شد.
مکانیزم فرایند
لایه نشانی اسپاترینگ بطور ذاتی یک روش پوشش دهی خلاء است. در عمل ماده مورد نظر جهت لایه نشانی یا همان هدف در مقابل زیر لایه و در فشار اولیه 10-6 تا Torr 10-10 قرار می گیرید. معمول ترین شیوه تامین یون، عبور مداوم گازی همچون آرگون است که فشار را به 1 تا 100 Torr افزایش داده قوس درخشان یا همان پلاسما را تشکیل می دهد. پتانسیل منفی بین 0.5 تا 5 kV به هدف اعمال می شود.یونهای شتابدار انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند بطوری که رسیدن به این سطح انرژی با حرارت دادن به نمونه امکان پذیر نیست. به علاوه لایه ایجاد شده مورد اصابت ذرات مختلف اما کم انرژی مثل اتمهای هدف، یونهای برگشتی گاز آلاینده و غیره قرار می گیرند. بنابراین اندرکنش یون- سطح تنها منحصر به هدف نیست بلکه در سینیتیک جوانه زنی و رشد فیلم و نیز تاثیر بسزایی دارد و کنترل بمباران یونی در هدف، خواص و ریزساختار فیلم را تعیین می کند.
شکل1- شمای فرایند اسپاترینگ
مهمترین ویژگی فرایند اسپاترینگ عمومیت و همه گیر بودن آن است. بدلیل اینکه ماده مورد نظر بجای فرایند شیمیایی یا تبخیر حرارتی با تغییر تکانه به فاز گاز وارد می شود هر ماده ای کاندیدای تبخیر خواهد بود. این یعنی بسیاری از مواد در یک فرایند شیمیایی قابل تولید نیست و یا برای تبخیر به حرارت زیادی نیاز دارد. مثلاً فلز تنگستن برای تبخیر به قدری حرارت نیاز دارد که به تجهیزات خلاء دما بالا نیاز دارد. اسپاترینگ جریان مستقیم (DC) معمولا برای فلزات استفاده می شود در حالیکه پتانسیل فرکانس رادیویی برای نارساناها و نیمرساناها به کار می رود. برای برخی کاربردها به جای اینکه پلاسما هدف را کاملاً احاطه کند، راحت تر این است که از یک پرتو یونی بهره گرفته شود.
سیستمی که در بالا شرح داده شد اساس اسپاترینگ بود اما روشهای پیشرفته تری نیز وجود دارد مثلاً می توان از یک هدف که مخلوطی از مواد است بهره جست تا یک ترکیب لایه نشانی شود. رایج ترین حالت اسپاترینگ چند لایه نشانی به ترتیب است که ساختاری لایه ای ایجاد می کند و شدیداً مورد علاقه دانشمندان الکترونیک می باشد. حالت خاصی از اسپاترینگ ایجاد پتاسیل منفی جزئی در زیر لایه است که باعث بمباران فیلم در حال رشد می شود و ساختار آن را شدیداً تحت تاثیر قرار می دهد. حالت آخر که چندی توجه دانشمندان مواد و الکترونیک را به خود جلب کرده بهره مندی از گازهایی چون O2، N2، H2S و غیره است که بنام اسپاترینگ واکنش پذیر (reactive) شهرت یافته.
شکل2-شمای فرایند اسپاترینگ واکنش پذیر
سیستمهای اسپاترینگ
علاوه بر روشهای بالا طراحی دستگاه اسپاترینگ هم انواع متفاوتی دارد که در اینجا به ذکر مختصری از آنها اکتفا می کنیم.1- دیود موازی
سیستمی که در شکل بالا مشاهده شد به دیود موازی مشهور است و ساده ترین روش ساخت را دارد که در آن هدف و زیر لایه به موازات هم قرار گرفته اند. 2- دیود مسطح
نوع دوم دیود مسطح است و در آن زیر لایه و هدف مجاور هم قرار می گیرند. بمباران یونی در دیود مسطح، سطح زیرلایه را مورد اصابت قرار داده آلودگی های آن را تمیز می کند. در این سیستم بیشترین چسبندگی فیلم با زیر لایه حاصل می شود و از این حیث بی نظیر است اما اشکالاتی هم دارد. مثلاً اینکه برای ایجاد پلاسما به فشارهای بالاتری نیاز دارد و این باعث می شود حرکت بالستیکی اتمهای کنده (در دیود موازی) شده از هدف به حرکت نفوذی مبدل شود. حاصل این امر کاهش نرخ لایه نشانی و آلودگی زیاد محفظه را به دنبال خواهد داشت.3- تریود
برای رفع مشکل سیستم دیود مسطح از یک الکترود دیگر بهره گرفته شد و سیستم تریود ابداع گردید. در سیستم تریود یک فیلامان داغ به داخل قوس الکترون می تابد و می تواند در فشار پایین پلاسمای شدید ایجاد کند. این پلاسما به قدری نرخ لایه نشانی را افزایش می دهد که در یک سیستم آزمایشگاهی به جای هدف دیسکی شکل از یک استوانه با وزن حدود 1 کیلوگرم در آن بهره می برند. مهمترین کاربرد سیستم تریود لایه نشانی فیلم ابررسانا ها است و بطور کلی برای ترکیبات پیچیده و مقیاس نیمه صنعتی ارجحیت دارد.
شکل3-طرح دستگاه اسپاترینگ سیستم تریود
4- مگنترون
در آخرین نوع این تجهیزات که به مگنترون اسپاترینگ شهرت یافته است، در مجاورت کاتد یک تله الکترون تشکیل می دهد، اما میدان مغناطیسی چندان قوی نیست که یونها را تحت تاثیر قرار دهد. زمانی که الکترون در یک میدان یکنواخت قرار می گیرد چون خودش دارای یک مولفه سرعت می باشد در راستای میدان یک حرکت مارپیچ خواهد داشت. با نوسان پلاسما یک میدان الکتریکی محیطی تشکیل می شود و نیروی شعاعی به الکترون وارد می شود اما الکترونها از تله خارج نمی شوند مگر اینکه چند صد ev انرژی داشته باشند. برخورد الکترونی دارای چند صد ev انرژی و اتمهای گاز به احتمال بسیار زیاد تولید یون می کند.
مگنترون اسپاترینگ انواع گوناگونی دارد در شکل زیر نوع صفحه ای (a) و نوع تفنگی (b) نمایش داده شده اند. مهمترین قابلیت لایه نشانی در سطوح به بزرگی 7 متر مربع است اما نرخ لایه نشانی نسبتاً بالا و عدم گرم شدن زیرلایه نیز از مزایای این دستگاه است.
شکل4- اقسام دستگاه مگنترون اسپاترینگ (a) نوع صفحه ای و (b) نوع تفنگی
کاربردهای اسپاترینگ
بطور صنعتی محصولات زیادی با اسپاترینگ تولید می شوند. تفلون در صنایع خانگی، آلومینیم و فلزات دیر گداز به عنوان رسانا و انواع عایق در صنایع ریز مدار، الکترودهای شفاف روی زیرلایه های شفاف، فیلم نوری آمورف برای ادوات نوری مجتمع، ترانسدیوسر پیزو الکتریک، نور رسان ها و لومینست ها در صنایع نمایشگر، ادوات حافظه نوری، ادوات حافظه آمورف، خازن و مقاومت لایه نازک، دیسک های ویدئویی، الکترولیتهای جامد و لیزرهای لایه نازک و بسیاری ادوات دیگر با اسپاترینگ تولید می شوند. اما می توان کاربردهای اسپاترینگ را به چهار دسته عمده تقسیم کرد.
1- لایه نشانی: بطور کلی می توان گفت تمام موادی قابلیت لایه نشانی فیزیکی دارند را با اسپاترینگ می توان لایه نشانی کرد. اگرچه در گذشته بسیاری از لایه های نازک به این شیوه ایجاد می شدند اما نانوفناوری در تلاش است با تکنیک های ساده چاپ از جوهر حاوی نانوذرات کلوئیدی و یک آنیل ساده بدون نیاز به خلاء گران قیمت لایه نازک تولید کند. البته گستره مواد قابل چاپ به گستردگی موادی که با اسپاترینگ لایه نشانی می شوند نیست. از طرفی دیگر تکنیک هایی برای لایه نشانی لایه نانوساختار (نه تنها ضخامت نانومتری) توسط اسپاترینگ در حال توسعه است که در مورد طلا، پالادیم و غیره برای مصارف کاتالیستی تجاری شده است.
2- سونش (Etching): در صنایع نیمه هادی برای سونش (حکاکی) هدف از اسپاترینگ بهره می برند. سونش اسپاترینگ را زمانی انتخاب می کنند که میزان زیاد سونش ناهمسانگرد (سونش عمود بر صفحه) نیاز است و قصد سونش انتخابی نداشته باشند. این روش مشکلی هم دارد و آن تخریب ویفر است.
3- آنالیز: همانطور که قبلاً اشاره شد ماده هدف در اسپاترینگ حکاکی می شود.
4- مطالعات فضایی: یکی از ابزارهای مطالعه شرایط آب و هوای فضای خارج زمین اسپاترینگ است. در شرایط خلاء رفتار فیزیکی شیمیایی تغییر کرده و اجرامی چون آستروئیدها و ماه چنین شرایطی را دارا هستند. یکی از احتمالات گمشدن مریخ در اتمسفر اطرافش و همچنین نحوه باز سازی سطح خارجی عطارد (تیر) یونیزه شدن آنها است.
----------------------------------
منبع :
--------------------------------------------------------------------------------------------------
یکی از روشهای لایه نشانی از فاز بخار است که بطور عمده برای تولید فیلم فلزات از نانو تا میکرو می باشد و تحت شرایط کنترل شده می توان نانوذراتی 3 نانومتری هم به این شیوه بدست آورد. اما فرایند اسپاترینگ عبارتست از کندوپاش اتمهای یا مولکولهای هدف (target) و ایجاد یک فیلم با یونهای یک گاز خنثی که در پلاسما ایجاد شده و درمیدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می گیرند.
تاریخچه
استفاده از اسپاترینگ برای ساخت یک لایه نازک اولین بار در سال 1852 میلادی گزارش شد و از آن زمان دوره های متفاوت جذابت و کم توجهی را به لحاظ اقتصادی و علمی گذارنده است. امروزه دانش کافی نسبت به فرایند پیچیده ای که حین بمباران یونی سطح هدف جامد رخ می دهد توسعه یافته و تجهیزات امروزی قابلت طراحی فرایندی تکرار پذیر و قابل کنترل را مهیا ساخته اند. پیشرفت این شاخه از علم که با اندرکنش یون- سطح مرتبط است با توسعه موازی فناوری خلا بالا و روشهای بسیار حساس میکرو آنالیز تسریع شد.
مکانیزم فرایند
لایه نشانی اسپاترینگ بطور ذاتی یک روش پوشش دهی خلاء است. در عمل ماده مورد نظر جهت لایه نشانی یا همان هدف در مقابل زیر لایه و در فشار اولیه 10-6 تا Torr 10-10 قرار می گیرید. معمول ترین شیوه تامین یون، عبور مداوم گازی همچون آرگون است که فشار را به 1 تا 100 Torr افزایش داده قوس درخشان یا همان پلاسما را تشکیل می دهد. پتانسیل منفی بین 0.5 تا 5 kV به هدف اعمال می شود.یونهای شتابدار انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند بطوری که رسیدن به این سطح انرژی با حرارت دادن به نمونه امکان پذیر نیست. به علاوه لایه ایجاد شده مورد اصابت ذرات مختلف اما کم انرژی مثل اتمهای هدف، یونهای برگشتی گاز آلاینده و غیره قرار می گیرند. بنابراین اندرکنش یون- سطح تنها منحصر به هدف نیست بلکه در سینیتیک جوانه زنی و رشد فیلم و نیز تاثیر بسزایی دارد و کنترل بمباران یونی در هدف، خواص و ریزساختار فیلم را تعیین می کند.
شکل1- شمای فرایند اسپاترینگ
مهمترین ویژگی فرایند اسپاترینگ عمومیت و همه گیر بودن آن است. بدلیل اینکه ماده مورد نظر بجای فرایند شیمیایی یا تبخیر حرارتی با تغییر تکانه به فاز گاز وارد می شود هر ماده ای کاندیدای تبخیر خواهد بود. این یعنی بسیاری از مواد در یک فرایند شیمیایی قابل تولید نیست و یا برای تبخیر به حرارت زیادی نیاز دارد. مثلاً فلز تنگستن برای تبخیر به قدری حرارت نیاز دارد که به تجهیزات خلاء دما بالا نیاز دارد. اسپاترینگ جریان مستقیم (DC) معمولا برای فلزات استفاده می شود در حالیکه پتانسیل فرکانس رادیویی برای نارساناها و نیمرساناها به کار می رود. برای برخی کاربردها به جای اینکه پلاسما هدف را کاملاً احاطه کند، راحت تر این است که از یک پرتو یونی بهره گرفته شود.
سیستمی که در بالا شرح داده شد اساس اسپاترینگ بود اما روشهای پیشرفته تری نیز وجود دارد مثلاً می توان از یک هدف که مخلوطی از مواد است بهره جست تا یک ترکیب لایه نشانی شود. رایج ترین حالت اسپاترینگ چند لایه نشانی به ترتیب است که ساختاری لایه ای ایجاد می کند و شدیداً مورد علاقه دانشمندان الکترونیک می باشد. حالت خاصی از اسپاترینگ ایجاد پتاسیل منفی جزئی در زیر لایه است که باعث بمباران فیلم در حال رشد می شود و ساختار آن را شدیداً تحت تاثیر قرار می دهد. حالت آخر که چندی توجه دانشمندان مواد و الکترونیک را به خود جلب کرده بهره مندی از گازهایی چون O2، N2، H2S و غیره است که بنام اسپاترینگ واکنش پذیر (reactive) شهرت یافته.
شکل2-شمای فرایند اسپاترینگ واکنش پذیر
سیستمهای اسپاترینگ
علاوه بر روشهای بالا طراحی دستگاه اسپاترینگ هم انواع متفاوتی دارد که در اینجا به ذکر مختصری از آنها اکتفا می کنیم.1- دیود موازی
سیستمی که در شکل بالا مشاهده شد به دیود موازی مشهور است و ساده ترین روش ساخت را دارد که در آن هدف و زیر لایه به موازات هم قرار گرفته اند. 2- دیود مسطح
نوع دوم دیود مسطح است و در آن زیر لایه و هدف مجاور هم قرار می گیرند. بمباران یونی در دیود مسطح، سطح زیرلایه را مورد اصابت قرار داده آلودگی های آن را تمیز می کند. در این سیستم بیشترین چسبندگی فیلم با زیر لایه حاصل می شود و از این حیث بی نظیر است اما اشکالاتی هم دارد. مثلاً اینکه برای ایجاد پلاسما به فشارهای بالاتری نیاز دارد و این باعث می شود حرکت بالستیکی اتمهای کنده (در دیود موازی) شده از هدف به حرکت نفوذی مبدل شود. حاصل این امر کاهش نرخ لایه نشانی و آلودگی زیاد محفظه را به دنبال خواهد داشت.3- تریود
برای رفع مشکل سیستم دیود مسطح از یک الکترود دیگر بهره گرفته شد و سیستم تریود ابداع گردید. در سیستم تریود یک فیلامان داغ به داخل قوس الکترون می تابد و می تواند در فشار پایین پلاسمای شدید ایجاد کند. این پلاسما به قدری نرخ لایه نشانی را افزایش می دهد که در یک سیستم آزمایشگاهی به جای هدف دیسکی شکل از یک استوانه با وزن حدود 1 کیلوگرم در آن بهره می برند. مهمترین کاربرد سیستم تریود لایه نشانی فیلم ابررسانا ها است و بطور کلی برای ترکیبات پیچیده و مقیاس نیمه صنعتی ارجحیت دارد.
شکل3-طرح دستگاه اسپاترینگ سیستم تریود
4- مگنترون
در آخرین نوع این تجهیزات که به مگنترون اسپاترینگ شهرت یافته است، در مجاورت کاتد یک تله الکترون تشکیل می دهد، اما میدان مغناطیسی چندان قوی نیست که یونها را تحت تاثیر قرار دهد. زمانی که الکترون در یک میدان یکنواخت قرار می گیرد چون خودش دارای یک مولفه سرعت می باشد در راستای میدان یک حرکت مارپیچ خواهد داشت. با نوسان پلاسما یک میدان الکتریکی محیطی تشکیل می شود و نیروی شعاعی به الکترون وارد می شود اما الکترونها از تله خارج نمی شوند مگر اینکه چند صد ev انرژی داشته باشند. برخورد الکترونی دارای چند صد ev انرژی و اتمهای گاز به احتمال بسیار زیاد تولید یون می کند.
مگنترون اسپاترینگ انواع گوناگونی دارد در شکل زیر نوع صفحه ای (a) و نوع تفنگی (b) نمایش داده شده اند. مهمترین قابلیت لایه نشانی در سطوح به بزرگی 7 متر مربع است اما نرخ لایه نشانی نسبتاً بالا و عدم گرم شدن زیرلایه نیز از مزایای این دستگاه است.
شکل4- اقسام دستگاه مگنترون اسپاترینگ (a) نوع صفحه ای و (b) نوع تفنگی
کاربردهای اسپاترینگ
بطور صنعتی محصولات زیادی با اسپاترینگ تولید می شوند. تفلون در صنایع خانگی، آلومینیم و فلزات دیر گداز به عنوان رسانا و انواع عایق در صنایع ریز مدار، الکترودهای شفاف روی زیرلایه های شفاف، فیلم نوری آمورف برای ادوات نوری مجتمع، ترانسدیوسر پیزو الکتریک، نور رسان ها و لومینست ها در صنایع نمایشگر، ادوات حافظه نوری، ادوات حافظه آمورف، خازن و مقاومت لایه نازک، دیسک های ویدئویی، الکترولیتهای جامد و لیزرهای لایه نازک و بسیاری ادوات دیگر با اسپاترینگ تولید می شوند. اما می توان کاربردهای اسپاترینگ را به چهار دسته عمده تقسیم کرد.
1- لایه نشانی: بطور کلی می توان گفت تمام موادی قابلیت لایه نشانی فیزیکی دارند را با اسپاترینگ می توان لایه نشانی کرد. اگرچه در گذشته بسیاری از لایه های نازک به این شیوه ایجاد می شدند اما نانوفناوری در تلاش است با تکنیک های ساده چاپ از جوهر حاوی نانوذرات کلوئیدی و یک آنیل ساده بدون نیاز به خلاء گران قیمت لایه نازک تولید کند. البته گستره مواد قابل چاپ به گستردگی موادی که با اسپاترینگ لایه نشانی می شوند نیست. از طرفی دیگر تکنیک هایی برای لایه نشانی لایه نانوساختار (نه تنها ضخامت نانومتری) توسط اسپاترینگ در حال توسعه است که در مورد طلا، پالادیم و غیره برای مصارف کاتالیستی تجاری شده است.
2- سونش (Etching): در صنایع نیمه هادی برای سونش (حکاکی) هدف از اسپاترینگ بهره می برند. سونش اسپاترینگ را زمانی انتخاب می کنند که میزان زیاد سونش ناهمسانگرد (سونش عمود بر صفحه) نیاز است و قصد سونش انتخابی نداشته باشند. این روش مشکلی هم دارد و آن تخریب ویفر است.
3- آنالیز: همانطور که قبلاً اشاره شد ماده هدف در اسپاترینگ حکاکی می شود.
4- مطالعات فضایی: یکی از ابزارهای مطالعه شرایط آب و هوای فضای خارج زمین اسپاترینگ است. در شرایط خلاء رفتار فیزیکی شیمیایی تغییر کرده و اجرامی چون آستروئیدها و ماه چنین شرایطی را دارا هستند. یکی از احتمالات گمشدن مریخ در اتمسفر اطرافش و همچنین نحوه باز سازی سطح خارجی عطارد (تیر) یونیزه شدن آنها است.
----------------------------------
منبع :
