روش رشد فیلمهای نازک نیمه رسانا با استفاده از لیزر

گر چه طریقه متداول ساخت فیلمهای نازک نیمه هادی از ترکیبات آلی فلز دار، روش تجزیه شیمیایی با گرما است، اما امروزه تجزیه لیزری این گونه ترکیبات به عنوان جای گزین پیشنهاد شده است. از آن جایی که اگثر ترکیبات هیدرو کربنی فلز دار در ناحیه طول موج زیر سی صد نانو متر دارای جذب هستند منابع نوری قابل استفاده محدود به لیزرهای اکسیمر ArF (193 نانو متر)، KrCl (7ر253 نانو متر)، KrF (248 نانو متر)، و هم چنین لامپ جیوه Hg (7ر253 نانو متر) است. تجزیه نوری ترکیبات آلی فلز دار (معمولاً ترکیبات هیدرو کربنی فلز دار) در ناحیه فرا بنفش، یک روش آسان برای نشاندن لایه‌های نازک نیمه رسانا بر سطح زیر لایه است. این روش چند سال پیش برای ساخت قطعات میکرو الکترونیکی پیشنهاد شد.
امروزه لیزر یک ابزار بسیار کار آمد در علوم و تگنولوژی است. اشاعه چشم گیر کار برد لیزر در زمینه‌های گوناگون مدیون طراحی و تولید انواع لیزرهای تک فام پیش رفته‌ای است که به اهتمام پژوهشگران و متخصصان این رشته انجام گرفته است. تازه کمی بیش از نیم قرن از ساخت اولین لیزر می‌گذرد که شاهد چنین تحولاتی در تولید و کار برد آن هستیم، و این خود نویدی است بر پیش رفتهای چشم گیرتر در آینده. بیش از نیم قرن قبل علی جوان اولین لیزر گازی هلیم را طراخی کرد و ساخت. این لیزر به نام همین دانشمند نام گذاری شد. هر چند در مورد انواع لیزرها و چگونگی کار کرد و کاربرد آنها در سطوح مختلف مقالات و منابع مختلفی وجود دارد در این جا راجع به چگونگی ساخت لایه‌های نازک نیمه رسانا با استفاده از لیزر LI_CVD صحبت خواهد شد. این یکی از کار بردهای مهم لیزر در صنعت میکرو الکترونیک است.
طریقه متداول ُساخت لایه‌های نازک نیمه رسانا از ترکیبات آلی فلز دار، روش گرما کافت است. اما تجزیه لیزری این گونه ترکیبات نیز به عنوان یک روش دیگر پیشنهاد شده است. در روش گرما کافت، انرژی لازم برای تجزیه مولکول دارای نیمه رسانا به شکل گرما به آن القا می‌شود. مولکول مورد نظر، که در اتاقک خلأ به شکل گاز است، انرژی را جذب می‌کند و تجزیه می‌شود، در نتیجه نیمه رسانا از آن آزاد می‌شود و بر سطح زیر لایه می‌نشیند. در این روش دمای زیر لایه و مولکولهای گازی مورد نظر تا حدود 600 درجه سلسیوس افزایش داده می‌شود که این باعث به وجود آمدن ناخالصیهایی در لایه رشد داده شده می‌شود. اما در روش تجزیه لیزری نیازی به افزایش دمای زیر لایه تا این حد نیست. این یکی از مزایای این روش نسبت به روش پیشین است.
مزایای روش تجزیه لیزری LI-CVD نسبت به سایر روشهای موجود از این قرار هستند: اول، کم بودن دمای سطح زیر لایه. دمای زیر لایه در روش تجزیه لیزری به مراتب کمتر از دمای آن در روش گرما کافت است. زیاد بودن دمای زیر لایه باعث ایجاد ناخالصیهایی مثل کربن در لایه نازک رشد داده شده می‌شود. هم چنین دمای زیاد زیر لایه ممکن است باعث مخلوط شدن مقداری از سطح زیر لایه با لایه نشسته بر آن شود. در دماهای زیاد احتمال مخلوط شدن لایه‌های مختلف نشسته بر هم نیز وجود دارد. دوم، به خاطر همدوسی، یک نواختی، و مستقیم بودن لیزر، نه تنها ناحیه‌ای که باید لایه در آن جا رشد کند قابل انتخاب است بلکه اندازه این ناحیه هم تا حد سطح مقطع نور لیزر قابل کنترل است، در حالی که در روش گرما کافت لایه رشد داده شده همه سطح زیر لایه را می‌پوشاند. به دلیل همین قابلیتها است که با روش تجزیه لیزری می‌توان مدارهای یک پارچه را مستقیما روی زیر لایه چاپ، یا ناط قطع شده در یک مدار یک پارچه را تعمیر کرد سوم، سرعت رشد لایه‌های نازک در روش تجزیه لیزری با کنترل تپهای لیزر قابل کنترل است. با افزایش تعداد تپهای لیزر می‌توان رشد لایه را به طور چشم گیری افزایش داد. اما در روش گرما کافت، سرعت رشد لایه قابل کنترل نیست. چهارم، قابلیت تجزیه انتخابی گاز در مخلوط چند گاز. برای رشد لایه‌های چندگانه، مثل GaAs و GaInAs، به چند نوع گاز، که هر کدام یکی از عناصر Ga، In، و As را دارا باشند نیاز است، مثلا TMAs، TMAl، و TMGa. در روش گرما کافت، هر کدام از این گازها را به طور جداگانه وارد اتاق واکنش می‌کنند و پس از پایان کار یک لایه، گاز را خارج و گاز بعدی را وارد می‌کنند. در این روش امکان وارد کردن هم زمان چند نوع گاز مختلف در اتاقک و نشاندن جداگانه اجزای نیمه رسانای آنها وجود ندارد چون وقتی مخلوط گازها با هم گرم شوند تقریباً همه آنها به طور هم زمان تجزیه می‌شوند و لایه نشسته مخلوطی از عناصر مورد نظر خواهد بود. در روش تجزیه لیزری می‌توان چندین گاز را هم زمان وارد اتاقک واکنش کرد و با انتخاب طول موج مناسب، هر یک از آنها را به طور جداگانه تجزیه کرد بدون آن که بر سایر گازها تأثیری گذاشته شود.

در این روش ابتدا اتاقک واکنش به طور نسبی تخلیه می‌شود. این کار با یک سیستم خلأ دارای تلمبه مکانیکی، تلمبه پخشی روغنی، و تله نیتروژن مایع انجام می‌شود. فشار اتاقک تخلیه شده به حدود ده به توان منفی نه تا ده به توان منفی شش تور می‌رسد. بعد از تخلیه، گاز یا گازهای مورد نظر را، که معمولاً در گروه III-V جدول تناوبی هستند و در دمای اتاق فشار بخار نسبتاً زیادی دارند وارد اتاقک می‌کنند. مقدار گاز لازم برای هر مرحله با تنظیم فشار آن در داخل اتاقک کنترل می‌شود. زیر لایه نیز در داخل اتاقک و در قسمت پایین آن قرار داده می‌شود. اتاقک واکنش چندین دریچه برای ورود و خروج پرتو لیزر، شناسایی محصولات تولید شده از تابش لیزر به نمونه مورد نظر، ورود و خروج نمونه، نصب فشار سنجها و اتصالات الکتریکی، و ... دارد. بعد از ورود گاز یا گازهای مورد نظر به درون اتاقک، یک باریکه لیزر که طول موج آن از قبل مشخص شده است به گاز مورد نظر تابانده می‌شود. قسمتی از این باریکه به وسیله گاز جذب می‌شود. در نتیجه مولکول‌های گاز تجزیه می‌شود و عنصر مورد نظر روی سطح زیر لایه می‌نشیند. برای تعیین مشخصات لیزر، محاسبات و سنجشهایی لازم است. به طور خلاصه ابتدا باید انرژی پیوند بین عنصر مورد نظر و رادیکال مولکول آن محاسبه شود. سپس ظیف جذبی این مولکول به وسیله دستگاه‌های طیف سنج نوری اندازه گیری می‌شود. با داشتن طیف جذبی، سطح مقطع جذبی این مولکول در طول موجهای مختلف محاسبه می‌شود. داشتن اطلاعات راجع به سطح مقطع جذبی به ما کمک می‌کند بدانیم مولکول مورد نظر در چه طول موج یا طول موجهایی بیشترین جذب نوری را دارد. با معلوم بودن قله یا قله‌های سطح مقطع جذبی، انرژی نور جذب شده به وسیله این مولکول در طول موجهای مربوط به این قله یا قله‌ها را می‌توان محاسبه کرد. دانستن اندازه این انرژی مشخص می‌کند که این مقدار انرژی قادر به تجزیه مولکول مورد نظر، یعنی شکستن پیوند بین عنصر و رادیکال مولکول آن، خواهد بود یا خیر. اگر جواب مثبت باشد باید بررسی کرد آیا لیزری وجود دارد که بتواند چنین طول موجی را ایجاد کند. به این ترتیب با این سنجشها و محاسبات می‌توان انرژی، طول موج، و نوع لیزر را تعیین کرد.
در روش گرما کافت هم باید به این موضوع توجه کرد که آیا مقدار گرمایی که به مولکول داده می‌شود برای شکستن پیوند بین عنصر مورد نظر و رادیکال کافی است؟ دمای مولکول را تا حد معینی می‌توان زیاد کرد. این حد به نقطه ذوب و جوش عنصری بستگی دارد که قرار است نشانده شود. پس همه مولکولهای شامل عنصر مورد نظر، برای نشاندن عنصر مناسب نیستند.