فرایندهای رشد لایه نازک (2)

چسبندگی

چسبندگی یک لایه بر روی زیرلایه، به طور قابل توجهی به طبیعت شیمیایی، تمیزی و توپولوژی میکروسکوپی زیرلایه وابسته می باشد. چسبندگی برای مقادیر بالاتر از: 1) انرژی کینتیکی مربوط به گونه های برخورد کننده، 2) انرژی جذب رسوبات، و 3) دانسیته ی جوانه زنی اولیه، بهتر می باشد. وجود ناخالصی بر روی سطح زیرلایه، ممکن است موجب افزایش یا کاهش چسبندگی شود. این مسئله به دلیل این است که آیا انرژی جذب به ترتیب افزایش می یابد و یا کاهش می یابد. همچنین چسبندگی یک لایه می تواند با ایجاد مراکز جوانه زنی بر روی زیرلایه، بهبود یابد. برای مثال، با استفاده از زیرلایه های با دانه ی ریز و یا یک زیرلایه ی پوشش داده شده. رسوبات متخلخل و سست تحت شرایط فوق اشباع بالا تشکیل می شوند و وجود خلأ ضعیف در سیستم نیز موجب می شود تا این رسوبات، چسبندگی کمتری به زیرلایه داشته باشند.
این فهمیده شده است که در لایه های رسوب کرده، در حین رشد، تنش های داخلی ایجاد می شود. انرژی الاستیک به دلیل تنش، در لایه ها ذخیره سازی می شود. دانسیته ی انرژی الاستیک ( ) به صورت زیر بیان می شود:
در اینجا، Y نشاندهنده ی مدول یانگ لایه ی نازک می باشد و بنابراین، انرژی ذخیره شده در واحد سطح لایه ی نازک ( 14) به صورت زیر بدست می آید:
که در اینجا، d نشاندهنده ی ضخامت لایه ی رسوب کرده می باشد. وقتی بزرگتر از انرژی چسبندگی باشد، لایه های رسوب کرده، پوسته ای می شوند. تحت یک شرایط چسبندگی معین، یک ضخامت لایه ای بحرانی وجود دارد. در خارج از ضخامت بحرانی، لایه های رسوب کرده، پوسته ای می شود. تنش های داخلی در اصل از چسبندگی به زیرلایه مشتق می شوند. تنش می تواند به دلیل تفاوت در انبساط حرارتی میان لایه های نازک و زیرلایه و یا عدم تطابق در شبکه ی کریستالی زیرلایه و ماده ی رسوب داده شده، ایجاد شود. تنش های داخلی () با اندازه گیری کرنش ( ) و با استفاده از تجزیه و تحلیل XRD، بدست می آید. در این حالت، تنش داخلی به صورت زیر تعریف می شود:
که در اینجا، نشاندهنده ی کرنش و نشاندهنده ی نسبت پواسون لایه ها می باشد. نسبت پواسون در واقع برای تمام مواد، عدد مثبتی است و کمتر از یک دوم می باشد.
ساختار شبه پایدارعموماً انحراف از مقادیر بالک مربوط به ثوابت شبکه، تنها در لایه های بسیار نازک، مشاهده می شود. ثوابت شبکه ممکن است افزایش یا کاهش یابد، این مسئله به ترتیب به منفی یا مثبت بودن انرژی سطحی وابسته می باشد. وقتی ضخامت لایه افزایش یابد، ثوابت شبکه به مقادیر مربوط به حالت بالک، نزدیک می شود.
مواد مختلف وقتی به صورت لایه ی نازک در می آید، ساختارهای شبه پایدار جدیدی تشکیل می شود که در حالت بالک، مشاهده نمی شوند. این ساختارهای جدید، ممکن است به صورت خالص و یا به همراه ناخالصی و سایر مواد دیگر باشد. برخی از مشاهدات مربوط به ساختارهای جدید در لایه های نازک، به صورت زیر می باشد:br /> 1. بیشتر مواد، در حالت خالص و یا به همراه ناخالصی های مناسب، می تواند به صورت آمورف، آماده سازی شود.
2. ساختار بالک سدیم کلرید اعوجاج یافته، تمایل به تبدیل به حالت غیر اعوجاج یافته در حالت لایه نازک، دارد.
3. ترکیب های ورتزایت (wurtzite) می تواند به شکل سافاریت تشکیل شوند و یا بر عکس.
4. ساختارهای bbc و hcp تمایل به تبدیل شدن به ساختار fcc را دارند.
برخی از مثال های متداول از یک چنین ساختاری که در این لایه ها، یافت می شود، عبارتند از:
1. Si، Ge، Se، Te و As آمورف
2. Mo، Ta، W، Co و b-Ta با ساختار fcc
3. Cr/Ni با ساختار fcc و Fe/Cu با ساختار bcc و Co/Cu با ساختار fcc
توجه کنید که این ساختارهای شبه پایدار غیر طبیعی، با آنیل کردن، به ساختارهای نرمال خود باز می گردد. این مسئله در مورد لایه های زیرکونیوم تولید شده از روش کندوپاش، در شکل 1 نشان داده شده است.

یکی دیگر از نتایج مربوط به فرایند رشد لایه ی نازک، پدیده ی رلاکسیون حلالیت است. فرایند اتمی رشد در طی هم رسوبی، اجازه می دهد تا آلیاژها و مواد دوپ شونده در داخل سایر مواد، ایجاد شوند. از آنجایی که لایه های نازک از اتم ها، مولکول ها و یا گونه های یونی، تشکیل می شوند که محدودیت حلالیت در فاز گازی ندارند، شرایط حلالیت میان مواد مختلف بعد از هم رسوبی، به طور قابل توجهی، آزادسازی یا رلاکسیون می شوند. این مسئله موجب می شود تا بتوان مواد چند جزئی (ترکیبات و آلیاژها) تولید شود. با این کار، این ممکن است که مواد با ترکیب مختلف تولید کرد که در آنها، با افزودن تکنولوژی های جدید، می توان خواص جدیدی بدست آورد. یک مثال مهم از این تکنولوژی، تشکیل لایه های Si آمورف هیدروژن دار برای استفاده در سلول های خورشیدی می باشد. هیدروژن دار شدن، موجب می شود تا گاف انرژی مربوط به سیلیس آمورف، از 1 ev به 2ev افزایش یابد و بدین صورت، دانسیته ی مربوط به حالت های پیوند کاهش یابد به نحوی که دوپ شوندگی در حالت n و p قابل حصول باشد.

فرایند رسوب دهی لایه ی نازک

طبقه بندی فرایندهای رسوب دهی

به طور نمونه وار، فرایندهای رسوب دهی فیزیکی و شیمیاییی در شکل 2 نشان داده شده است. فرایند فیزیکی از فرایندهای رسوب دهی در حالت فیزیکی (PVD) و فرایندهای شیمیایی از فرایندهای رسوب هی در حالت شیمیایی و فرایندهای رسوب دهی حلالی، نیز بخشی از این فرایندها می باشد. در ادامه در مورد آنها صحبت می شود:

فرایند PVD

فرایند PVD به دو گروه تقسیم بندی می شود:
1. تبخیر گرمایی
2. کندوپاش (sputtering)
تبخیر گرمایی
فرایند تبخیر گرمایی، از تبخیر شدن یک ماده از منبعی شروع می شود که در داخل محفظه ای با خلأ قرار دارد. سپس این گونه های تبخیر شده، بر روی زیرلایه، متراکم می شوند. فرایند تبخیر گرمایی به صورت متداول، فرایند تبخیر خلأ نامیده می شود. دو نوع از فرایندهای تبخیر گرمایی در شکل 3 قابل مشاهده می باشد.


حرارت دهی مقاومتی متداول ترین روش مورد استفاده در رسوب دهی این لایه ها، می باشد. مواد منبع با استفاده از المان های فیلامنتی و یا قایقی، تبخیر می شوند. این المان ها، معمولاً از جنس مواد دیرگدازی همچون تنگستن، مولیبدن و یا تانتالیوم می باشند. بوته های کوارتزی، گرافیتی، آلومینایی، برلیایی، نیترید بور و یا زیرکونیایی، نیز به صورت غیر مستقیم، حرارت دهی می شوند. فلزات دیرگداز نیز با استفاده از روش باریکه ی الکترونی، تبخیر می شوند زیرا حرارت دهی معمولی با استفاده از المان مقاومتی، قابلیت تبخیر این مواد را ندارد.
رسوب دهی لیزر پالسی (PLD) یک فرایند گرمایی بهبود یافته است که برای رسوب دهی آلیاژها و ترکیبات با ترکیب شیمیایی کنترل شده، مورد استفاده قرار می گیرد. در رسوب دهی لیزری، حیک لیزر پالسی توان بالا، مانند لیزر رادیواکتیو KrF بر روی هدف تابیده می شود. این کار از میان یک پنجره ی کوارتز، انجام می شود. یک لنز کوارتزی برای افزایش دانسیته ی انرژی مربوط به توان لیزر مورد استفاده قرار می گیرد. اتم هایی که از سطح جداسازی شده اند، بر روی سطوح نمونه جمع آوری می شوند و موجب تشکیل لایه های نازک می شوند. یک سیستم PLD نمونه وار در شکل 4 نشان داده شده است. مواد مورد استفاده در تولید هدف، به صورت محلی حرارت داده می شوند تا به نقطه ی ذوب خود برسند، سپس ذوب شده و تحت خلأ تبخیر می شوند. یک پالس لیزری ممکن است همچنین موجب خروج الکترون از هدف می شود و موجب می شود تا یک توده ی پلاسمایی ایجاد شود. این توده ی پلاسمایی، موجب تبخیر هدف می شود. مکانیزم تبخیر ممکن است در این حالت پیچیده تر باشد، زیرا این فرایند شامل فرایند گرمایی و فرایند پلاسمایی است. PLD دارای طراحی ساده ای است و هدف مورد استفاده در این فرایند می تواند در اشکال مختلف باشد، مثلا می توان از پودر، قرص زینتر شده و حتی تک کریستال، بدین منظور، استفاده کرد. به هر حال، در حال حاضر، این فرایند موجب تشکیل رسوبات یکنواخت نمی شود و ذرات میکرونیزه ای از هدف جداسازی می شود که یکنواختی پوشش را زیر سوال می برد. برای جلوگیری از این مسئله، زیرلایه در یک موقعیت خارج محور قرار داده می شود.


مکانیزم مربوط به تبخیر به صورت ساده بوسیله ی Mahan مورد بحث قرار گرفته است. این کار با استفاده از مدل تبخیر گرمایی انجام می شود. عوق جذب نوری ( ) مربوط به لیزر فرابنفش در حد 10 نانومتر است. این عمق، به صورت زیر بدست می آید:

که در اینجا، ثابت جذب نوری هدف است. عمق نفوذ گرمایی ( ) به حرارت جذب شده بوسیله ی هدف، وابسته می باشد. این مقدار از معادله ی زیر بدست می آید:

که در اینجا، دوره ی پالسی مربوط به نور لیزر می باشد، رسانایی گرمایی هدف، c ظرفیت حرارتی مولار مربوط به هدف می باشد و همچنین دانسیته ی مولار هدف می باشد.مقادیر برای مس و سیلیکون، به صورت میکرومتر بیان می شود. هدف های عایق و نیمه رساناهای با باند گسترده، دارای جذب پایینی هستند. هدف های فلزی و اهداف نیمه رسانای با گاف انرژی کوچک، دارای جذب قوی هستند. جذب قوی موجب می شود تا هدف به سرعت گرم شود و تبخیر شود. تابش لیزری ممکن است موجب تابش الکترونی از هدف شود. در این حالت، اتم های یونیزه شده، موجب ایجاد توده ای پلاسمایی می شود.
فرایند اپیتاکسی باریکه ی مولکولی (MBE) یک سیستم مورد اعتماد در تبخیر گرمایی می باشد. شکل 5 نشاندهنده ی یک ماده ی در حال تبخیر می باشد. ساختار ابر شبکه ی مصنوعی از لایه های متناوب نازکی تولید شده است که از جنس GaAs و GaAlAs می باشند. این لایه ها به طور موفقیت آمیز رسوب دهی می شود (شکل 6).



این نوع از فرایند رسوب دهی امروزه به طور گسترده ای برای رسوب دهی کنترل شده ی آلیاژها و ترکیبات، استفاده می شود. این سیستم عموماً از محفظه ی رسوب دهی، محفظه ی تجزیه و تحلیل و محفظه ی نمونه، تشکیل شده است. یک سیستم MBE نمونه وار، در شکل 7 قابل مشاهده می باشد. یک منبع بخار نیز برای سیستم نشان داده شده در شکل 8، وجود دارد و ترکیبات ارگانومتالیک به عنوان منبع، مورد استفاده قرار می گیرند.

کندوپاش

وقتی یک سطح جامد بوسیله ی ذرات پر انرژی مانند یون های شتاب داده شده، بمباران می شود، اتم های سطحی جامد به دلیل برخورد این ذرات از سطح جدا می شوند. همانگونه که در شکل 9 مشاهده می شود، این پدیده، پدیده ی کندوپاش ساده و یا کندوپاش بازگشتی، نامیده می شود. وقتی یک فویل نازک بوسیله ی ذرات پر انرژی بمباران شوند، تعدادی اتم کندوپاش شده، از فویل خارج می شوند. این پدیده، کندوپاش عبوری (transmission sputtering) نامیده می شود. واژه ی "کندوپاش" هم معنای واژه ی "کندوپاش کاتدی" و " تبخیر برخوردی" می باشد.
کندوپاش کاتدی، برای رسوب دهی لایه های نازک، استفاده می شود. چند سیستم کندوپاش برای رسوب دهی، پیشنهاد شده است. این روش ها، عبارتند از: کندوپاش دیودی dc، کندوپاش دیودی rf، کندوپاش مگنترونی و کندوپاش باریکه ی یونی. McClanahan و Laegreid یک بررسی تاریخی در مورد رسوب دهی کندوپاشی، پیشنهاد داده اند. ساختار اصلی این روش ها، در شکل 10 آورده شده است.


در بین سیستم های کندوپاش، ساده ترین مدل سیستم کندوپاش دیودی dc است. سیستم کندوپاش dc از یک جفت الکترود صفحه ای تشکیل شده است. یکی از الکترودها، کاتد سرد نامیده می شود و دیگری، آند نامیده می شود. سطح جلویی کاتد با ماده ی هدف، پوشیده می شود و مواد موجود در آن، از هدف جداسازی می شود و بر روی نمونه ها، رسوب می کند. زیرلایه ها نیز بر روی آند قرار داده می شود. محفظه ی کندوپاش با گازهای کندوپاش شده، پر می شود. این گاز به طور نمونه وار، از جنس آرگون می باشد و فشار آن نیز در حدود 5Pa می باشد. تخلیه ی درخشان در حالتی که یک ولتاژ میان این الکترودها اعمال می شود، ایجاد و حفظ می شود. یون های آرگون تولید شده دربخش تخلیه ی درخشان، شتاب گرفته و موجب می شود تا عمل کندوپاش در هدف ایجاد شود. این مسئله منجر به ایجاد رسوب های نازک بر روی زیرلایه ها، می شود. در سیستم تخلیه ی dc، هدف از فلز ساخته می شود تا بدین صورت، تخلیه ی درخشان میان الکترودهای فلزی ادامه یابد.
با جایگزینی ساده ی یک عایق به جای هدف فلزی در سیستم تخلیه ی کندوپاشی dc، تخلیه ی کندوپاشی نمی تواند ادامه یابد زیرا بر روی سطح الکترودها، یون های مثبت تشکیل می شود و ادامه ی تخلیه ی درخشان، با مشکل مواجه می شود. برای فایق آمدن بر این مشکل، از ولتاژهای rf استفاده می شود. این سیستم، سیستم کندوپاش دیودی rf نامیده می شود. در سیستم های کندوپاش rf، لایه های نازک مواد عایق، به صورت مستقیم از هدف های عایق، تولید می شوند.
در کندوپاش مگنترونی، یک میدان مغناطیسی بر روی کاتد اعمال می شود و این مسئله موجب می شود تا تخلیه ی درخشان، ادامه یابد. در واقع میدان معناطیسی، موازی با سطح کاتد است. الکترون های موجود در تخلیه ی درخشان، موجب می شود تا حرکت های مکانیزمی ایجاد شود و مرکز اربیال به سمت بردار شیفت داده شود. در اینجا، E و B به ترتیب، نشاندهنده ی میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی عرضی است. میدان مغناطیسی به گونه ای قرار می گیرد که این مسیرهای دریفت، یک حلقه ی بسته برای الکترون ها ایجاد کند. این اثر به دام افتادن الکترون ها، موجب افزایش نرخ برخورد میان الکترون ها و مولکول های گاز کندوپاش شده، می شود. این مسئله موجب می شود تا بتوان فشار گازهای کندوپاشی را به میزان کاهش داد. البته این فشار به صورت نمونه وار، می باشد. در سیستم کندوپاش مگنترونی، میدان مغناطیسی موجب افزایش دانسیته ی پلاسما می شود که این مسئله، منجر به افزایش دانسیته ی جریان در هدف موجود در کاتد می شود. این مسئله در نهایت، منجر به افزایش نرخ کندوپاش در هدف، می شود. به دلیل فشار کاری پایین، ذرات کندوپاش شده، از فضای تخلیه خارج می شود، بدون آنکه نرخ رسوب دهی بالا، ایجاد شود.
در حال حاضر، مگنترون های صفحه ای برای تولید وسایل نیمه رسانا، ضروری می باشند. از لحاظ تاریخی، کندوپاش مگنترونی ابتدا بوسیله ی Penning در سال 1936 پیشنهاد شده است. یک نمونه ی آزمایشی از مگنترون صفحه ای، بوسیله ی Wasa در سال 1967 ساخته شد و یک سیستم مگنترون صفحه ای تجربی بوسیله ی Chapin در سال 1974 توسعه یافت. ساختار یک سیستم کندوپاش نمونه وار در شکل 11 قابل مشاهده می باشند.

وقتی گونه های گازی فعال مانند اکسیژن و نیتروژن به داخل محفظه وارد شود، لایه های نازک از ترکیبات اکسیدی و نیتریدی بوسیله ی کندوپاش هدف های فلزی مناسب، رسوب دهی می شود. این روش، به کندوپاش فعال، شناخته می شود و هم در حالت dc و هم در حالت rf مورد استفاده قرار می گیرد. کندوپاش فعال در عمل، برای رسوب دهی با نرخ بالای لایه های اکسید فلزی عایق، مورد استفاده قرار می گیرد. به هر حال، کندوپاش dc از یک هدف فلزی در بخش های کندوپاش dc بزرگ مقیاس مناسب نیست که علت این مسئله، ایجاد یک لایه ی رسوب عایق بر روی کاتد می باشد. این لایه منجر به تجمیع بار بر روی این بخش ها می شود. برای کاهش پدیده ی تجمیع بار، کندوپاش با فرکانس متوسط به همراه هدف های دو قلو، در عمل، مورد استفاده قرار می گیرد. یک سیستم نمونه وار از این سیستم ها، در شکل 12 نشان داده شده است. یک منبع انرژی فرکانس متوسط به هدف های دوقلویی متصل می شود. هدف ها در این جا، به صورت متناوب، به عنوان آند و کاتد عمل می کنند. فرکانس این دستگاه ها، در حد چند ده کیلوهرتز است. در این حالت، رسوب دهی بدون هیچ کاهشی در نرخ رسوب دهی، انجام می شود.


در این سیستم های تخلیه ی درخشان، مولکول های گاز کندوپاش شده، در طی رشد لایه ی نازک، موجب درخشش لایه ی کندوپاش شده، می شوند. این مسئله موجب می شود تا مولکول های گاز در لایه ی نازک، گیر کنند. در مورد سیستم کندوپاش باریکه ی یونی، یون های برخورد کننده، در منبع یونی ایجاد می وشند. جریان این منبع یونی، به طور طبیعی در گستره ی 10 تا 500 mA است. در این حالت، انرژی یون های ایجاد شده در حدود 0.5 تا 2.5 kV است. از آنجایی که یون ایجاد شده در محفظه ی تخلیه ی یونی، ایجاد شده است، فشار کاری مربوط به محفظه ی کندوپاش می تواند تا میزان کاهش یابد. این مسئله موجب می شود تا مقدار مولکول های گاز موجود در لایه ی نازک ایجادی، کاهش یابد.
Chopra از جمله افراد پیشگام در زمینه ی کار بر روی پوشش دهی لایه ی نازک بوسیله ی کندوپاش باریکه ی یونی بوده است. این فرد کارهای خود را در سال 1967 آغاز کرده است.
اگر چه کندوپاش باریکه ی یونی به صورت گسترده برای تولید لایه های نازک، مورد استفاده قرار می گیرد، این نوع از سیستم ها، به صورت گسترده برای اچ کردن وسایل نیمه رسانا، مورد استفاده قرار می گیرند. اخیراً علاقه ی زیادی در زمینه ی تولید لایه های نازک عجیب و قریب با استفاده از کندوپاش باریکه ی یونی، ایجاد شده است. داده های مربوط به اساس این نوع کندوپاش، بوسیله ی Behrisch مورد بررسی قرار گرفته است.

منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa